Michael Frolík je mnohonásobným mládežnickým reprezentantem, účastnil se třech mistrovství světa do 18 let v letech 2004, 2005, 2006 a čtyřech mistrovství světa dvacetiletých v letech 2005, 2006, 2007 a 2008. V seniorské reprezentaci poprvé nastoupil v přípravě před mistrovstvím světa 2009, na které jej však trenér Vladimír Růžička nakonec nenominoval. Na velkém turnaji si tak zahrál až o dva roky později v Bratislavě, kam přicestoval poté, co se svým klubem Chicago Blackhawks vypadl v bojích o Stanley Cup. Na mistrovství vstřelil v 9 zápasech 3 branky a přispěl tak k zisku bronzových medailí.