דרכו של מסי בנבחרת ארגנטינה החלה ב-2005, עם זכייתו בגביע העולם בכדורגל עד גיל 20. בגיל 18 השתתף מסי לראשונה בטורניר משמעותי עם הנבחרת הבוגרת, במסגרת מונדיאל 2006, בו היה לכובש השישי הצעיר ביותר בתולדות הטורניר. ב-2007, העפיל עם הנבחרת לגמר הקופה אמריקה, וב-2008, באולמפיאדת בייג'ינג, זכה עמה במדליית זהב. מסי העפיל עם נבחרתו לרבע גמר מונדיאל 2010 וקופה אמריקה 2011, לאחריו הפך קפטן הנבחרת. כקפטן, הוביל מסי את נבחרתו לגמר מונדיאל 2014 ולגמר קופה אמריקה 2015 ולזכייה בקופה אמריקה 2021. בשלושת טורנירים אלו נבחר לשחקן המצטיין של הטורניר. כמו כן, הוביל את נבחרתו לגמר קופה אמריקה 2016. מסי הוא מלך ההופעות והשערים בכל הזמנים של נבחרת ארגנטינה.