Vuonna 2010 Mills osallistui ensimmäistä kertaa MM-kilpailuihin, joissa hän teki keskimäärin 13,8 pistettä ottelua kohden. Hän olikin joukkueensa paras pistemies ennen David Andersenia. Vuonna 2012 Mills oli mukana Australian joukkueessa Lontoon olympiaturnauksessa. Hän teki turnauksessa keskimäärin 21,2 pistettä ottelua kohden ja oli koko kisojen pistetilaston voittaja ennen Yhdysvaltain Kevin Durantia. Mills edusti Australiaa myös vuoden 2016 olympialaisissa, joissa maa sijoittui neljänneksi. Hän oli turnauksen toiseksi paras korintekijä 21,3 pisteen keskiarvollaan.