Werner mewakili Jerman di peringkat belia, bermain untuk U15, U16, U17, U19 dan pasukan U21, menjaringkan 34 gol dalam 48 perlawanan secara keseluruhan . Pada 2010, dia menjaringkan hatrik pada penampilan pertamanya untuk Jerman U15 dalam perlawanan menentang Poland. Dua tahun kemudian, dia adalah sebahagian daripada pasukan Jerman yang menamatkan saingan di Kejohanan UEFA Eropah Bawah Umur 17 2012.[7]

Werner dipanggil ke pasukan skuad senior Jerman] pada 2017 oleh jurulatih ketua Joachim Löw untuk persahabatan menentang England dan perlawanan kelayakan Piala Dunia 2018 terhadap Azerbaijan pada 22 dan 26 Mac 2017 masing-masing.[18]

Pada 17 Mei 2017, Werner dinamakan dalam skuad Jerman untuk Piala Konfederasi FIFA 2017 yang diadakan di Rusia. Dia muncul sebagai pemain gantian untuk Sandro Wagner dalam perlawanan pembukaan pasukan pertandingan melawan Australia,[19] sebelum menjaringkan dua gol pertama pertamanya apabila dipilih untuk memulakan perlawanan terakhir Jerman melawan Cameroon pada 25 Jun.[20] Empat hari kemudian, Werner menjaringkan gol ketiga Jerman dalam kemenangan separuh akhir 4-1 ke atas Mexico.[21] Pada 2 Julai 2017, Werner membantu gol kemenangan kejohanan Lars Stindl di Penamatan Piala Konfederasi FIFA 2017 terhadap Chile.[22] With three goals and two assists, Werner was awarded the tournament's Golden Boot.[23]

Pada 4 Jun 2018, Werner dimasukkan ke dalam skuad 23 orang terakhir Jerman untuk Piala Dunia FIFA 2018.[24] Pada 17 Jun 2018, Werner membuat penampilan pertamanya World Cup dan bermain selama 86 minit dalam perlawanan pembukaan dengan kekalahan 1-0 ke atas Mexico.[25][26]