Moutinho maakte zijn debuut in het Portugees voetbalelftal op 17 augustus 2005 in de vriendschappelijke wedstrijd tegen Egypte. Na rust verving hij Petit. Toenmalig bondscoach Luiz Felipe Scolari was onder de indruk van Moutinho en nam hem mee naar het Europees kampioenschap voetbal 2008. Hij nam met zijn vaderland eveneens deel aan de EK-eindronde 2012 in Polen en Oekraïne. Bij dat laatste toernooi werd de ploeg van bondscoach Paulo Bento in de halve finale na strafschoppen (2-4) uitgeschakeld door titelverdediger en buurland Spanje. In de reguliere speeltijd plus verlenging waren beide ploegen blijven steken op 0-0. Moutinho miste een strafschop in de strafschoppenreeks. Zijn inzet werd gekeerd door de Spaanse doelman Iker Casillas. Moutinho maakte zijn WK-debuut in de eerste wedstrijd (4-0 verlies) van de Portugezen op het wereldkampioenschap voetbal 2014 tegen Duitsland. Hij stond gepositioneerd als centrale middenvelder, naast Miguel Veloso (na rust Ricardo Costa) en zag Hummels eenmaal en Thomas Müller driemaal scoren. Bondscoach Fernando Santos nam Moutinho op 17 mei 2016 op in de Portugese selectie voor het Europees kampioenschap voetbal 2016 in Frankrijk. Zijn landgenoten en hij wonnen hier voor het eerst in de geschiedenis van Portugal een groot landentoernooi. Een doelpunt van Éder in de verlenging besliste de finale tegen Frankrijk: 1-0. Moutinho nam in juni 2017 met Portugal deel aan de FIFA Confederations Cup 2017, waar de derde plaats werd bereikt. Portugal won in de troostfinale van Mexico (2-1 na verlenging).