Milik od 2011 występował w młodzieżowych reprezentacjach kraju. We wszystkich kategoriach wiekowych rozegrał łącznie 18 meczów, strzelając 16 goli. W 2012 Waldemar Fornalik dwukrotnie umieścił go na liście rezerwowej seniorskiej reprezentacji Polski. Pierwsze powołanie otrzymał 8 października tego samego roku, na mecze z Republiką Południowej Afryki oraz Anglią. Zajął wówczas miejsce Marka Saganowskiego, który zmagał się z problemami kardiologicznymi. Kilka dni wcześniej Milik przygotowywał się z kadrą do lat 19 do turnieju eliminacyjnego Mistrzostw Europy. W seniorskiej reprezentacji zadebiutował 12 października 2012 w wygranym 1:0 meczu z RPA, zmieniając w 58. minucie Adriana Mierzejewskiego. Zagrał również w zremisowanym 1:1 meczu eliminacyjnym Mistrzostw Świata 2014 z Anglią, wchodząc w 82. minucie za Kamila Grosickiego. Pierwszego gola dla reprezentacji zdobył 14 grudnia 2012 w meczu Macedonią, gdy dobił piłkę po niecelnym uderzeniu Szymona Pawłowskiego z rzutu karnego. 11 października 2014 zdobył bramkę w wygranym 2:0 meczu eliminacyjnym do Mistrzostw Europy 2016 z Niemcami. Było to pierwsze w historii zwycięstwo reprezentacji Polski w piłce nożnej nad reprezentacją Niemiec. Trzy dni później trafił do siatki w zremisowanym 2:2 spotkaniu ze Szkocją. Trafienia notował także w dwóch kolejnych meczach kadry: wygranym 4:0 z Gruzją oraz bezpośrednio z rzutu wolnego w zremisowanym 2:2 meczu towarzyskim ze Szwajcarią. 13 czerwca 2015 strzelił gola w wygranym 4:0 drugim spotkaniu z Gruzją. Był kluczowym zawodnikiem reprezentacji Polski podczas eliminacji do Mistrzostw Europy 2016. Zagrał w dziewięciu z dziesięciu możliwych do rozegrania spotkań zdobywając, w których zdobył 6 goli i zanotował 6 asyst, tworząc świetnie rozumiejący się duet napastników z Robertem Lewandowskim. Napastnicy zajęli wówczas pierwsze dwa miejsca w klasyfikacji kanadyjskiej eliminacji turnieju.