17 ноября 2010 года дебютировал во взрослой сборной Германии, отыграв 73 минуты в матче против сборной Швеции. 7 июня 2011 года Холтби сыграл второй матч за сборную. Немцы в гостях играли со сборной Азербайджана в рамках квалификации к чемпионата Европы 2012 года.