Якоб Маркстрём играл за сборную Швеции на юниорском Чемпионате мира 2008 и на двух молодёжных Чемпионатах мира (2009 и 2010). На взрослом Чемпионате мира он дебютировал в 2010 году. В 2013 году Маркстрём вместе с Юнасом Энротом разделил игровое время в воротах сборной и стал обладателем золотых медалей мирового первенства, проходившего в Швеции и Финляндии.