Inui debuteerde op 20 januari 2009 in het Japans voetbalelftal, in een met 2–1 gewonnen oefeninterland tegen Jemen. Hij maakte op 14 november 2014 zijn eerste (en tweede) doelpunt voor het nationale team, in een met 6–0 gewonnen oefeninterland tegen Honduras. Inui nam een jaar later met Japan deel aan het Aziatisch kampioenschap voetbal 2015, zijn eerste eindtoernooi. Hij maakte ook deel uit van de Japanse ploeg op het WK 2018. Hierop scoorde hij in een groepswedstrijd tegen Senegal en in de achtste finale tegen België.