Fahlgren fick debutera i ungdomslandslagen och spelade 50 u-kamper med 181 gjorda mål i dessa. Han har spelat 53 A-landskamper och gjort 67 mål för Sveriges landslag .Landslagsdebut i en träningslandskamp före VM 2009 den 9 januari 2009 mot Kuwait. Patrik Fahlgren mästerskapsdebuterade vid VM 2009 i Kroatien efter att Lukas Karlsson hade skadat sig. Sedan dröjde det 5 år innan Fahlgren gjorde sin nästa mästerskapsturnering. Fahlgren deltog även vid EM 2014 i Danmark och VM 2015 i Qatar. Sista landskampen 26 januari 2015 i VM mot Polen.