ธีรเทพเริ่มโด่งดังและเป็นที่รู้จักจากการลงเล่นฟุตบอลทีมชาติไทย ชุดแชมป์ซีเกมส์ ครั้งที่ 21, 23 และ 24 ส่วนซีเกมส์ครั้งที่ 22 เขาได้เป็นเพียงแค่ตัวสำรอง ในซีเกมส์ครั้งที่ 23 ธีรเทพสามารถทำแฮตทริกได้ในนัดชิงชนะเลิศที่พบกับเวียดนาม ช่วยให้ทีมชาติไทยคว้าเหรียญทองในการแข่งขันซีเกมส์ 8 สมัยซ้อน เขายิงประตูให้กับทีมชาติไทยชุดอายุไม่เกิน 23 ปีในกีฬาซีเกมส์ได้รวมทั้งสิ้น 14 ประตู