Cahill speelde op veertienjarige leeftijd zijn eerste interland met het elftal onder 20 van Samoa. Hierdoor mocht Cahill aanvankelijk niet meer uitkomen voor Australië, totdat de FIFA besloot dat jeugdinterlands niet meer bindend waren. Hierdoor kon Cahill in maart 2004 alsnog zijn debuut maken voor het Australisch elftal in een oefenwedstrijd tegen Zuid-Afrika. Later in 2004 werd Cahill met zes doelpunten topscorer van de door de "Socceroos" gewonnen Oceanië Cup, en nam hij deel aan de Olympische Spelen van Athene. Een jaar behoorde Cahill tot de Australische selectie voor de FIFA Confederations Cup in Duitsland. In november 2005 was Cahill basisspeler in het beslissende kwalificatieduel voor het Wereldkampioenschap voetbal 2006 tegen Uruguay. Australië zou zich na een strafschoppenserie plaatsen voor het WK. Op het WK maakte Cahill als invaller in de eerste groepswedstrijd tegen Japan het eerste doelpunt ooit voor Australië op een WK. Zijn doelpunt leidde tot een comeback van de "Socceroos" in de slotfase. Een 0–1 achterstand werd omgebogen in een 3–1 overwinning door doelpunten van Cahill (2) en John Aloisi. In de volgende wedstrijden startte Cahill steeds in basis en Australië zou uiteindelijk in de achtste finales door Italië worden uitgeschakeld. Cahill behoorde tot de selectie voor de Azië Cup 2007, het eerste Aziatische toernooi waaraan Australië deelnam na de overstap van de OFC naar de AFC in januari 2007. Het toernooi werd met uitschakeling in de kwartfinale tegen Japan na strafschoppen geen groot succes, maar Cahill maakte in de eerste groepswedstrijd tegen Oman wel het eerste Australische doelpunt ooit op een Aziatisch kampioenschap.