2011年亚洲杯之前，时任国足主帅高洪波将武磊招入考察，但武磊的国家队首球要等到2013年的东亚杯。连续2场国足比赛进球对于武磊来说并不罕见，但本届40强赛和马尔代夫的次回合进球，帮助国足扩大领先优势，是武磊10年国脚生涯首次连续3场比赛建功，此前面对关岛和菲律宾，都是武磊为球队首开纪录。
2011年，武磊首次进入国足名单，但并没有获得机会。高洪波2011年8月份下课之后，王健林为国足带来了新帅卡马乔，不过直到2012年的2月准备世预赛之前，武磊才得到卡马乔的征召，第2次进入国足名单。
直到2013年6月15日，国足1-5不敌泰国，卡马乔吃到惨案后下课，武磊并没有在卡马乔麾下建功。此时的国家队履历，武磊的进球数还是一个“零蛋”。但那时的武磊，已经在中超赛场大杀四方，为国足建功立业则是板上钉钉的事。
武磊国足处子球
2013年7月的东亚杯，在傅博临时挂帅的国足4-3击败澳大利亚一役中，武磊单刀破门为球队锁定胜局。随后在当年的亚预赛1-0击败印尼的比赛中，武磊打入制胜球。
到了佩兰执教国足时期，武磊已经是球队的绝对主力，但从未实现连续2场国家队比赛进球。在里皮的麾下，2018年5月26日和6月2日连续面对缅甸和泰国的热身赛，则是武磊首次在国足连场进球，而且2场比赛打进了3球。随后在2019年40强赛面对马代和关岛的较量中，武磊再次连场进球。
李铁成为国足主帅后的前6期集训，武磊由于身处西班牙的原因，无法回国跟队集训，加上阿兰和费南多成为新的归化国脚，也让武磊的位置在外界看到受到了一定的威胁。
40强赛重启之后，归来的武磊得到了李铁的信任，连续3场比赛首发，尤其和马尔代夫的比赛，在首发轮换9名球员的情况下，李铁仅保留了武磊和颜骏凌2名主力。而武磊也没有辜负李铁的信任，连续3场40强赛进球，且武磊还是国足本届40强赛阶段的头号射手。
从2019年的亚洲杯开始，武磊就成为了国足的头牌，加上作为目前国足阵中唯一的留洋国脚，武磊也是全村的希望和宠儿。