Hannes Þór Halldórsson maakte zijn debuut in het IJslands voetbalelftal op 6 september 2011 in een kwalificatiewedstrijd voor het Europees kampioenschap voetbal 2012 tegen Cyprus (1–0 winst). Sindsdien is hij de vaste doelman van het nationaal elftal en speelde hij onder meer alle interlands in het kwalificatietoernooi voor het WK 2014 (twaalf in totaal), waaronder twee in de play-offs die in november 2013 werden verloren van Kroatië. In september en oktober 2014 werd hij gedurende drie interlands niet gepasseerd, wat hem niet eerder lukte: in het EK-kwalificatietoernooi werden achtereenvolgens Turkije (3–0), Letland (0–3) en Nederland (2–0) verslagen. Op 9 mei 2016 maakte bondscoach Lars Lagerbäck bekend Hannes mee te nemen naar het Europees kampioenschap in juni 2016. Hij is een van de meest ervaren spelers in de selectie. Hannes werd door "Voetbal International" op de avond van de eerste groepswedstrijd tegen Portugal, waarin IJsland de Portugezen op een 1–1 gelijkspel hield, uitgeroepen tot man van de wedstrijd. Door een gelijkspel tegen Hongarije en een overwinning op Oostenrijk overleefde IJsland met Halldórsson op het eerste EK ooit voor IJsland de groepsfase, waarna het tegen Engeland moest. Ook deze wedstrijd won IJsland door met 1–2 te winnen. Door deze overwinning gingen de IJslanders een ronde verder en kwamen ze uit tegen gastland Frankrijk. Het land werd in de kwartfinale uitgeschakeld door Frankrijk, dat met 5–2 won. Met IJsland kwalificeerde Halldórsson zich ook voor het wereldkampioenschap voetbal 2018 in Rusland. In de eerste poulewedstrijd tegen Argentinië stopte hij een penalty van Lionel Messi en de wedstrijd eindigde in 1-1. De wedstrijden Nigeria en Kroatië werden verloren en IJsland werd uitgeschakeld in de poulefase.