Pada tanggal 7 Maret 2008, ketika Kumagai berusia 17 tahun, ia memulai debutnya untuk tim nasional Jepang melawan Kanada. Pada bulan Agustus, Kumagai terpilih untuk tim nasional U-20 Jepang di Piala Dunia U-20 2008. Pada tahun 2010, ia bermain untuk tim U-20 sebagai kapten selama Piala Dunia U-20 2010.
Aku tahu. Pada tahun 2011, ia adalah bagian dari tim pemenang Piala Dunia Jepang, mencetak gol penalti kemenangan di final melawan Amerika Serikat. Dia juga berada di skuad di Olimpiade Musim Panas 2012 dan Piala Dunia 2015. Jepang menempati posisi kedua di kedua kompetisi tersebut. Pada Januari 2017, ia dinobatkan sebagai kapten Jepang oleh manajer Asako Takakura. Pada tahun 2018, Jepang memenangkan Piala Asia 2018. Dia telah bermain lebih dari 100 pertandingan untuk Jepang. Pada 10 November 2019, Kumagai mencetak gol pertamanya dalam pertandingan persahabatan untuk Jepang dalam kemenangan 2-0 melawan Afrika Selatan.