Keane teki maajoukkuedebyyttinsä vuonna 1998. Hän pelasi ennätykselliset 146 maaottelua ja teki niissä 68 maalia. Maalintekijätilastossa Keane on selvästi edellä toisena 21 maalilla olevaa Niall Quinniä. Ensimmäisen hattutemppunsa Keane teki Irlannille San Marinoa vastaan syksyllä 2006. Arvokisoissa Keane esiintyi ensimmäisen kerran vuoden 2002 maailmanmestaruuskisoissa, joissa Irlanti ylsi neljännesvälieriin. Hän oli mukana myös vuosien 2012 ja 2016 Euroopan-mestaruuskilpailuissa. Keane toimi Irlannin maajoukkueen kapteenina vuodesta 2006 lähtien.