2005年6-7月にオランダで開催されたFIFAワールドユース選手権にアルゼンチン代表として参加し、エースとしてチームを牽引した。決勝のナイジェリア戦では自身がドリブルを仕掛け獲得したPKから先制点を、セルヒオ・アグエロが獲得したPKから同点にされた後の勝ち越しゴールを決め、優勝に大きく貢献。大会を通じて6得点、得点王と最優秀選手を獲得する大活躍を見せた。この活躍がフル代表監督ホセ・ペケルマンの目に止まり、同年8月17日のハンガリー戦でフル代表デビューを果たした。この試合では63分に途中出場したものの、そのわずか40秒後に相手選手に肘打ちを入れレッドカードを受け、涙を流しながら退場というほろ苦いデビューであった。2006年夏にドイツで開催された2006 FIFAワールドカップでは怪我の回復が危惧されたが、プレイ可能な状態にまで回復し、代表に選出された。レギュラーとしての出場ではなかったが、グループステージの対セルビア・モンテネグロ戦にて、W杯でのアルゼンチン代表の最年少出場、最年少アシスト、最年少得点を記録する活躍をみせ、死のグループとも形容されたグループCの突破に貢献した。チームは準々決勝で開催国ドイツに敗れた。2007年夏に母国アルゼンチンで開催されたFIFA U-20ワールドカップには出場資格を持っていたものの、既にフル代表に定着していた自身は辞退、フル代表が臨むコパ・アメリカ2007へ出場した。レギュラーを徐々に手繰り寄せていた彼は、準々決勝の対ペルー戦、準決勝の対メキシコ戦で得点を決めるなどチームの決勝進出に貢献。しかし、決勝のブラジル戦で敗れ、準優勝に終わった。2008年夏に中国で開催された北京オリンピックではグループリーグ1試合目のコートジボワール戦で大会初得点を挙げチームの2得点目をアシストした。準々決勝のオランダ戦では1得点を挙げたが1-1の同点で延長戦に突入したが決勝点である2得点目をアシストしアルゼンチンが勝利した。準決勝ではブラジルと対戦、3-0でアルゼンチンが圧勝して決勝へ勝ち進んだ。決勝ではナイジェリア戦では唯一の得点をアシストした。最終的に1-0でアルゼンチンが勝利し金メダルを獲得した。2010年夏に南アフリカで開催された2010 FIFAワールドカップでは大会最大の注目選手として臨み、マラドーナと同じトップ下でプレー。グループリーグ第3戦のギリシャ戦では初めてキャプテンを務め、大会選定のマン・オブ・ザ・マッチに選出される活躍を見せた。チームはベスト4の座を懸けたドイツ戦で完敗し、自身も30本のシュートを打つも無得点に終わる。コパ・アメリカ2011では準々決勝で敗退し、自身も無得点に終わった。大会後に新たにアルゼンチン代表の監督に就任したアレハンドロ・サベーラからチームの新キャプテンに任命され、9月3日のベネズエラ戦ではキャプテンとしてプレーした。2012年2月29日のスイスとの親善試合で、代表では初めてとなるハットトリックを達成した。2013年6月14日にグアテマラとの親善試合においてハットトリックを決め、これによって代表通算得点を35得点としディエゴ・マラドーナの代表通算34得点を抜き、アルゼンチン代表の得点数でエルナン・クレスポと並んで歴代2位タイに浮上した。2014FIFAワールドカップブラジル大会では、4得点をあげ、大会最優秀選手のゴールデンボール賞に輝いた。ベストイレブンには選出されていない。しかしチームは決勝トーナメントに入ってから決勝のドイツ戦の延長まで無失点を継続して勝ち進み、準優勝に終わった。コパ・アメリカ2015では決勝で敗れ準優勝。同大会最優秀選手の受賞が決まっていたものの受賞を辞退。同賞は空席となった。9月4日のボリビアとの親善試合では途中出場で2得点を決め、南米のチーム全てに得点した史上4人目の選手となった。開幕前に負傷し臨んだコパ・アメリカ・センテナリオでは、2016年6月10日に行なわれたグループリーグ第2戦のパナマ戦で61分から途中出場しハットトリックを達成。6月18日の準々決勝・ベネズエラ戦では先発に復帰し、1得点2アシストの活躍で勝利に貢献。続く6月22日の準決勝アメリカ戦では直接フリーキックを決めて代表通算55得点とし、アルゼンチン代表最多得点記録を更新した。チームは3年連続で国際大会の決勝に進出するものの、因縁の再戦が実現したチリ戦では延長戦の末スコアレスドローで2大会連続でPK戦にもつれこむ。PK戦では自身もPKを失敗して2-4で敗れ、3年連続で決勝で敗退しタイトルを逃した。コパ・アメリカ・センテナリオ大会の終了後、代表引退を示唆するコメントを残したが、8月12日、母国への愛情を理由に引退表明を撤回。引退騒動後最初の試合となったワールドカップ地区予選のウルグアイ戦では決勝点を挙げた。アルゼンチンがワールドカップ出場圏外の6位で迎えた同予選最終節のエクアドル戦では、同点ゴール、逆転ゴールを含むハットトリックの活躍で全3得点を挙げ、アルゼンチンをワールドカップ出場に導いた。さらにこの試合で南米予選21ゴールを記録し、南米予選最多得点記録を樹立した。メッシがチームのワールドカップ予選敗退の危機を救った後の2018年3月アルゼンチン代表は親善試合でスペイン代表と対戦した。メッシは怪我を負っていたため試合には出場しなかった。その結果アルゼンチン代表はスペイン代表に1-6で敗れた。この点差は代表歴代ワーストタイの最大差敗戦である。2018 FIFAワールドカップロシア大会ではグループリーグの第1戦アイスランド戦で自身がPKを外してしまいチームは1-1の同点に終わる。第2戦のクロアチア戦では0-3でアルゼンチン代表が敗北した。この状況について監督であるホルヘ・サンパオリはアルゼンチン代表について「メッシの輝きを曇らせているのがアルゼンチン代表の現実だ」と語っている。クロアチアのミッドフィルダーのルカ・モドリッチも、「メッシは信じられない選手だけど、彼がすべてを1人でできるわけがない」と述べている。グループリーグ最終戦のナイジェリア戦では バネガからのロングパスを2回のタッチでボールをコントロールし、右足でゴールした。この得点によりアルゼンチン人ではディエゴ・マラドーナ、ガブリエル・バティストゥータ以来3人目のワールドカップ3大会連続得点を達成し10代、20代、30代それぞれの世代で得点したワールドカップ史上初の選手となった。決勝トーナメント1回戦のフランス戦ではガブリエル・メルカドとセルヒオ・アグエロへのアシストをして2アシストを記録した。これによりワールドカップで4大会連続アシストをしたワールドカップ史上初の選手となった。しかしアルゼンチンは3-4でフランスに敗北しワールドカップ敗退した。大会終了後には過度な重圧から、年内の代表としての活動休止が報じられた。2019年3月22日の国際親善試合のベネズエラ戦で代表復帰したものの、1-3で敗れた。コパ・アメリカ2019の代表メンバーに選ばれた。開幕から低調なスタートを切ったが自身はパラグアイ戦でPKを決めそれ以降チームの組織力が上がりグループステージ最後の試合であるカタール戦、準々決勝のベネズエラ戦ではそれぞれ無失点に抑え2点を決め勝利を収めた。しかし準決勝のブラジル戦では0-2の完封負け、試合後は協会、メディアなどと共に審判の曖昧なジャッジを批判した。続く3位決定戦のチリ戦では、アグエロへのアシストや共存不可能と言われていたディバラへチャンスメークを見せていたものの前半31分の場面で、小競り合いとなったガリー・メデルと共に目立った暴力を振るっていないのにも関わらず一発退場となった。試合にはアルゼンチンが勝利しアルゼンチンは3位で大会を終えたが、メッシは抗議の気持ちを示すために試合後の表彰式に参加せずメダルを受け取らなかった、この一連の行動は多方面から批判を浴びることになった。南米サッカー連盟はこの一連の不適切発言と問題行動に対して、2019年8月2日、5万ドル（約550万円）の罰金と3か月の出場停止処分を科した。