В сборной Бельгии Мертенс дебютировал 9 февраля 2011 года в товарищеском матче со сборной Финляндии, свой первый гол забил 15 августа 2012 года в ворота команды Нидерландов. Всего за сборную он сыграл 82 матча и забил 16 голов, был участником чемпионата мира 2014 года и чемпионата Европы 2016 года. Болельщиками сборной Бельгии Мертенс был признан лучшим футболистом 2016 года. Бронзовый призёр чемпионата мира 2018 года.