Il 22 marzo 2017 esordisce con la nazionale maggiore in un'amichevole vinta per 1-0 contro l'Inghilterra. Il 25 giugno successivo realizza le sue prime reti, marcando una doppietta decisiva nella partita vinta per 3-1 contro il Camerun e valida per la fase a gironi della FIFA Confederations Cup 2017. Segna anche nella vittoria per 4-1 contro il Messico in semifinale, che consente alla Germania di qualificarsi per la vittoriosa finale contro il Cile (1-0). Alla fine della competizione Werner si laurea capocannoniere, alla pari con i compagni Leon Goretzka e Lars Stindl. Nel 2018 viene convocato per il campionato del mondo in Russia, dove la nazionale tedesca esce già dopo la fase a gironi, con Werner che rende al di sotto delle aspettative.