Im Jahr 2016 debütierte Kobayashi für die japanische Fußballnationalmannschaft. Weder bei der Weltmeisterschaft 2018, bei der Asienmeisterschaft 2019 noch bei der Copa América 2019, an der die japanische Nationalmannschaft als Gast teilnahm, gehörte er zum Kader. Allerdings spielte er 2019 bei vier Freundschaftsspielen. Insgesamt hat Kobayashi bisher acht Länderspiele für Japan bestritten.