Lichtsteiner speelde op 15 november 2006 zijn eerste interland in het Zwitsers voetbalelftal, een vriendschappelijke wedstrijd tegen Brazilië. Hij moest in dat duel na 85 minuten plaatsmaken voor Gökhan Inler. Twee jaar later behoorde hij tot de nationale selectie van bondscoach Jakob Kuhn voor het Europees kampioenschap 2008 en begon hij in alle drie de wedstrijden in de basis. Kuhns opvolger Ottmar Hitzfeld selecteerde Lichtsteiner twee jaar later ook voor het wereldkampioenschap 2010. Ook hier was hij in alle drie de wedstrijden basisspeler. In mei 2014 werd Lichtsteiner door bondscoach Hitzfeld opgenomen in de selectie voor het wereldkampioenschap 2014 in Brazilië. In alle wedstrijden kwam hij in actie, waaronder ook de van Argentinië verloren achtste finale (1–0). Op 14 oktober 2014 speelde Lichtsteiner in het EK-kwalificatietoernooi zijn zeventigste interland en eerste wedstrijd als aanvoerder van Zwitserland. Ook in de oefeninterland tegen Liechtenstein (3–0 winst) op 10 juni 2015 was hij de aanvoerder. Lichtsteiner was Zwitserlands aanvoerder op het EK 2016; het land werd na strafschoppen uitgeschakeld in de achtste finale door Polen (1–1, 4–5).