Courtois teki ensiesiintymisensä maajoukkueessa lokakuussa 2011, jolloin hänestä tuli nuorin Belgian maajoukkueessa esiintynyt pelaaja. Hän on pelannut maajoukkueessa yli 60 ottelua joissa hän on päästänyt 43 maalia ja pelannut 29 nollapeliä. Hän on pelannut maajoukkueessa vuoden 2014 maailmanmestaruuskilpailuissa, vuoden 2016 Euroopan-mestaruuskilpailuissa ja vuoden 2018 maailmanmestaruuskilpailuissa, jossa hän voitti parhaalle maalivahdille annettavan kultaisen hansikkaan palkinnon.