Onder bondscoach Heiko Herrlich speelde Holtby vijf wedstrijden voor het Duits nationaal elftal voor spelers onder de 18, daarnaast speelde hij ook voor het team onder 19 en onder 20. Met het team voor onder 20 speelde Holtby op het het wereldkampioenschap voor spelers onder 20 jaar en maakte hij twee doelpunten.