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Avec l'équipe de RFA, Willi Giesemann joue 14 matchs (pour aucun but inscrit) entre 1960 et 1965[3].
Il joue son premier match en équipe nationale le en amical contre l'Irlande, et son dernier le contre le Brésil, toujours en amical. Le , il inscrit un but contre son camp lors d'une rencontre face au Danemark[4].
Il figure dans le groupe des sélectionnés lors de la Coupe du monde de 1962. Lors du mondial organisé au Chili, il joue deux matchs : contre le Chili et la Yougoslavie[5].