Na het doorlopen van verschillende nationale jeugdteams werd Götze in 2010 opgeroepen voor het Duits voetbalelftal. Op 17 november 2010 debuteerde hij hiervoor, tegen Zweden. Hij viel die dag in de 78e minuut in voor Kevin Großkreutz. Met Duitsland nam hij deel aan het Europees kampioenschap voetbal 2012 en het wereldkampioenschap voetbal 2014. In de finale van dat laatste toernooi tegen Argentinië maakte Götze in de verlenging het winnende doelpunt, op aangeven van André Schürrle. Met het Duits elftal nam hij in 2016 deel aan het Europees kampioenschap voetbal in Frankrijk. Duitsland werd in de halve finale uitgeschakeld door Frankrijk (0–2), na in de eerdere twee knock-outwedstrijden Slowakije (3–0) en Italië (1–1, 6–5 na strafschoppen) te hebben verslagen.