Für Kanada nahm Holtby an der U18-Junioren-Weltmeisterschaft 2007 teil, bei der er mit seiner Mannschaft den vierten Platz belegte. Im Turnierverlauf kam er zu einem Einsatz. Beim World Cup of Hockey 2016 wurde der Kanadier erstmals in die A-Nationalmannschaft seines Heimatlandes berufen und gewann dabei mit dem Team die Goldmedaille, ohne jedoch hinter Carey Price und Corey Crawford zu einem Einsatz zu kommen.