Lewis Holtby reprezentoval Německo v mládežnických kategoriích U18, U19, U20 a U21. Zúčastnil se Mistrovství světa hráčů do 20 let 2009 v Egyptu, kde mladí Němci vypadli ve čtvrtfinále s Brazílií po porážce 1:2. Hrál i na Mistrovství Evropy hráčů do 21 let 2013 v Izraeli, kde Německo obsadilo nepostupové třetí místo v základní skupině B. Na tomto turnaji byl kapitánem týmu a vstřelil jeden gól v úvodním utkání s Nizozemskem (porážka 2:3).