Von 2009 bis 2011 absolvierte Fredrik Midtsjø 26 Freundschaftsspiele für die norwegischen Nachwuchsnationalmannschaften (U16 bis U18). Mit der U19-Auswahl, für die er im Jahr 2012 5 Spiele absolvierte, verpasste er die Teilnahme an der U-19-Fußball-Europameisterschaft 2012 in Estland. Im selben Jahr kam er zu 2 Einsätzen in Freundschaftsspielen für die norwegische U20-Auswahl und im Jahr 2013 lief Midtsjø in 4 Partien für die norwegische U21-Nationalmannschaft auf. Nach einem Einsatz im Jahr 2015 für die U23-Auswahl gehört er seit 2016 mit Abständen zum Kader der norwegischen A-Nationalmannschaft.