Ensimmäisen maalinsa aikuisten maajoukkueessa hän teki 24. toukokuuta 2010 käydyssä ystävyysottelussa Kanadaa vastaan. Aiemmin samassa kuussa Diego Maradona valitsi hänet kokoonpanoonsa vuoden 2010 MM-kilpailuihin. Hän pelasi kisoissa viisi ottelua. Di María pelasi myös vuosien 2014 ja 2018 MM-kilpailuissa. Argentiinan hopeamitaliin päättyneissä 2014 kisoissa hän pelasi maansa viisi ensimmäistä ottelua ja teki neljännesvälierässä Sveitsiä vastaan voittomaalin jatkoajalla. Vuoden 2018 kisoissa hän teki kolmessa ottelussa yhden maalin. Hän pelasi vuosien 2011, 2015, 2016 ja 2019 Copa Américassa. Vuoden 2011 kisoissa hän viimeisteli kolmessa ottelussa kerran. 2015 hän pelasi kaikki kuusi ottelua ja teki välierässä Paraguayta vastaan kaksi maalia Argentiinan saavuttaessa hopeaa. Seuraavan vuoden Copa América Centenariossa hän viimeisteli kolmessa ottelussa kerran Argentiinan saavuttaessa jälleen hopeaa. Vuoden 2019 kisoissa hän pelasi kolmanneksi sijoittuneessa Argentiinan joukkueessa viisi ottelua ilman tehomerkintöjä. Joulukuuhun 2020 mennessä hän on pelannut 104 maaottelua ja tehnyt niissä 20 maalia.