La sua prima convocazione in nazionale maggiore avvenne il 31 maggio 1980, nella partita amichevole tra Inghilterra e Australia, a 21 anni. Il selezionatore inglese Ron Greenwood se ne interessò dopo aver visionato le sue prestazioni con la maglia dell'Ipswich Town. Dieci mesi dopo fu nuovamente convocato nell'Inghilterra per il match amichevole contro la Nazionale di calcio della Spagna, vinto dagli iberici 2-1. Fu poi tra i giovanissimi convocati per il Campionato Mondiale di calcio 1982. Divenne un titolare regolare della nazionale in questo periodo, e rimase il centrale di difesa di prima scelta dell'Inghilterra per circa un decennio. Partecipò anche ai Mondiali 1986, e prese parte alla famosa partita tra Argentina e Inghilterra, in cui Maradona segnò il celeberrimo "gol del secolo". A causa della frattura alla gamba Butcher non prese parte all'Europeo del 1988, in cui la nazionale inglese fu eliminata nella fase a gironi. Bobby Robson, senza l'esperienza di Butcher, fu costretto a puntare sulla giovane accoppiata Tony Adams - Mark Wright. Durante le qualificazioni ai Mondiali del 1990, nella la gara contro la Svezia del settembre 1989, Butcher rimediò un profondo taglio alla fronte nei primi minuti di gara. I fisioterapisti gli applicarono dei punti di sutura e una vistosa benda, ma durante un contrasto Butcher subì un altro colpo alla testa e la ferita si aprì nuovamente. La copiosa emorragia che ne derivò imbrattò la sua divisa di gioco, e la foto della sua maglietta completamente insanguinata è passata alla storia. Con Butcher in un'inedita difesa a 5, la nazionale inglese raggiunse le semifinali dei mondiali italiani del '90, perdendo poi la finale 3º posto contro i padroni di casa dell'Italia. Dopo questo mondiale Butcher lasciò la nazionale, dopo dieci anni, con 77 presenze all'attivo e 3 reti segnate.