Für die deutsche Fußballnationalmannschaft bestritt Grabowski insgesamt 44 Länderspiele, erzielte dabei fünf Treffer und nahm an drei Fußball-Weltmeisterschaften und einer Europameisterschaft teil. Nach einem Auftritt in der Amateurnationalmannschaft 1965 absolvierte er mit 21 Jahren sein erstes Länderspiel am 4. Mai 1966 gegen Irland. Bei der Weltmeisterschaft 1966 in England wurde er mit der Nationalmannschaft Vize-Weltmeister, bestritt allerdings kein einziges Spiel (diese WM wurde noch ohne jegliche Auswechslungen durchgeführt). Nachdem er am 22. November 1967 sein einziges Länderspiel für die U-23-Nationalmannschaft beim 1:1-Unentschieden gegen die Auswahl Rumäniens in Saarbrücken bestritten hatte, kehrte er erst 1970 bei den WM-Vorbereitungsspielen in den Kader der Nationalmannschaft zurück. Er schaffte seinen Durchbruch als Nationalspieler bei der Weltmeisterschaft 1970 in Mexiko, bei der die deutsche Mannschaft Dritter wurde; hier erwarb er sich den Ruf als "bester Auswechselspieler der Welt". Er wurde in fast jedem Spiel eingewechselt, fand sich in der Regel sehr schnell in das Spiel und konnte ihm so entscheidende Impulse vermitteln. Beim fast verloren geglaubten Viertelfinalspiel gegen England war er wesentlich für den Umschwung auf die Siegerstraße verantwortlich. Beim Jahrhundertspiel gegen Italien spielte er von Beginn an und war einer der Besten. Er schlug die Flanke, die „"ausgerechnet Schnellinger"“ zu seinem berühmten Ausgleichstor in letzter Sekunde verwerten konnte.