Am 16. Oktober 2011 gab Karoline Heinze ihr Debüt in der U-19-Nationalmannschaft. Für die 2. EM-Qualifikationsrunde (27. März bis 6. April 2012 in Schweden) zur U-19-Europameisterschaft 2012 in der Türkei erhielt Karoline Heinze die Berufung von DFB-Trainerin Maren Meinert. Deutschland verpasste die Qualifikation für das Turnier, jedoch wurde Heinze im Sommer des gleichen Jahres in den deutschen Kader für die U-20-Weltmeisterschaft in Japan berufen. Dort kam sie im Gruppenspiel gegen die Auswahl der USA zu einem Turniereinsatz und wurde mit der Mannschaft nach einer Finalniederlage – wiederum gegen die USA – Vizeweltmeisterin.