El 7 de marzo de 2008, cuando Kumagai tenía 17 años, debutó para el equipo nacional de Japón contra Canadá. En agosto, Kumagai fue seleccionado para el equipo nacional sub-20 de Japón en la Copa Mundial Sub-20 de 2008. En 2010, jugó para el equipo Sub-20 como capitán durante la Copa Mundial Sub-20 de 2010. En 2011, formó parte del equipo japonés ganador de la Copa del Mundo, anotando el penalti ganador en la final.
contra los Estados Unidos. También estuvo en el equipo en los Juegos Olímpicos de Verano de 2012 y la Copa Mundial de 2015. Japón fue segundo en ambas competiciones. En enero de 2017, fue nombrada capitana de Japón por el mánager Asako Takakura. En 2018, Japón ganó la Copa Asiática de 2018. Ha jugado más de 100 partidos para Japón. El 10 de noviembre de 2019, Kumagai anotó su primer gol en un partido amistoso para Japón en una victoria de 2 a 0 contra Sudáfrica.