Saksan maajoukkueessa Gündoğan teki ensiesiintymisensä marraskuussa 2011 EM-karsintaottelussa Belgiaa vastaan. Ensimmäisen A-maajoukkuemaalinsa hän maaliskuussa 2013, kun Saksa voitti MM-karsintaottelussa Kazakstanin 4–1. Hän kuului Saksan joukkueeseen EM-kilpailuissa 2012, muttei päässyt pelaamaan. MM-kilpailujen 2014 ja EM-kilpailujen 2016 aikaan hän oli loukkaantunut. MM-kilpailuissa 2018 hän pelasi ottelussa Ruotsia vastaan.