Lee spielte zunächst in Jugendauswahlen der südkoreanischen Fußballnationalmannschaft, bevor er sich entschloss, für Japan anzutreten. Für die japanische U23 nahm er am Fußballturnier der Olympischen Spiele 2008 teil, scheiterte aber bereits in der Vorrunde. Sein Debüt für die A-Nationalmannschaft gab Lee am 9. Januar 2011 gegen Jordanien. Im Finale der Asienmeisterschaft 2011 gegen Australien erzielte er das entscheidende 1:0 und verhalf Japan somit zu seinem vierten Titel.