Ở cấp độ trẻ, Quang Hải là thành viên đội tuyển Việt Nam giành ngôi á quân Giải vô địch bóng đá U19 Đông Nam Á 2014 và 2015. Thành tích cùng đội tuyển lọt tới bán kết Giải vô địch bóng đá U-19 châu Á 2016 cũng giúp anh sau đó trở thành đội trưởng của đội tuyển Việt Nam lần đầu tiên tham dự Giải vô địch bóng đá U-20 thế giới 2017. Sau đó, Quang Hải đóng góp 5 bàn thắng trong hành trình giành ngôi á quân Giải vô địch bóng đá U-23 châu Á của đội tuyển U-23 Việt Nam vào tháng 1 năm 2018. Anh cũng chơi cho đội tuyển Olympics Việt Nam lọt vào tới bán kết ASIAD 2018 và có mặt trong đội hình tiêu biểu của giải đấu.
