Kagawa speelde met het nationale elftal voor spelers onder de 20 jaar op het WK –20 van 2007 in Canada. Hij werd in 2008 opgeroepen voor de Olympische Spelen in Beijing. Kagawa debuteerde op 24 mei 2008 in het Japans voetbalelftal, in een oefeninterland tegen Ivoorkust. Zijn eerste eindtoernooi volgde twee jaar later, het Oost-Aziatisch kampioenschap 2010. Kagawa won met Japan het Aziatisch kampioenschap 2011 en was ook actief voor zijn land op de Confederations Cup 2013, het WK 2014, het Aziatisch kampioenschap 2015 en het WK 2018.