Le nouveau sélectionneur allemand Joachim Löw le choisit comme adjoint le . Lors du quart de finale de l'Euro 2008 remporté face au Portugal, il se trouve en position d'entraîneur principal sur le banc allemand du fait de l'expulsion de Löw lors du match précédent. La sélection allemande termine ensuite à la troisième place de la Coupe du monde 2010, atteint les demi-finales de l'Euro 2012 et remporte la Coupe du monde 2014. Après ce dernier succès, Flick devient directeur sportif de la Fédération allemande de football.