ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2554 การแข่งขันฟุตบอลโลก 2014 รอบคัดเลือก โซนเอเชีย ระหว่างทีมชาติไทยกับทีมชาติซาอุดีอาระเบีย เขาได้รับใบแดงให้ออกจากสนาม[38] และในอีกไม่กี่วันถัดมา การแข่งขันซีเกมส์ครั้งที่ 26 ระหว่างทีมชาติไทย พบกับทีมชาติอินโดนีเซีย ธีราทรซึ่งถูกเรียกเข้าติดทีมชุดซีเกมส์ หลังตกรอบคัดเลือกฟุตบอลโลก ก็ได้รับใบแดงอีกครั้ง แต่เขาก็สามารถกับมาเล่นทีมชาติได้[39][40] ต่อมาใน พ.ศ. 2558 เขาได้รับเลือกจากเกียรติศักดิ์ เสนาเมือง ให้เป็นกัปตันทีมชาติชุดใหญ่เมื่อนัดเจอกับเวียดนามและไต้หวัน ในฟุตบอลโลก 2018 รอบคัดเลือก

ในวันที่ 20 สิงหาคม พ.ศ. 2562 ธีราทร มีชื่อติดทีมชาติไทยเบื้องต้น 33 คน[41] และในวันที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2562 ธีราทร ยังคงมีชื่อติดทีมชาติไทยในรอบที่ตัดตัวเหลือ 23 คนสุดท้าย ในการแข่งขันฟุตบอลโลกรอบคัดเลือก นัดที่ไทยจะเปิดบ้านพบกับเวียดนามและออกไปเยือนอินโดนีเซีย[42] ต่อมาในวันที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2562 ฟุตบอลโลกรอบคัดเลือก นัดที่สอง ไทยออกไปเยือนอินโดนีเซียที่สนามกีฬาหลักเกอโลราบุงการ์โน ธีราทรยิงลูกจุดโทษ ช่วยให้ ทีมชาติไทย บุกไปชนะ อินโดนีเซีย ถึงถิ่น 3–0 เก็บชัยชนะนัดแรกในรอบคัดเลือกได้สำเร็จ และเป็นการบุกชนะที่บ้านของอินโดนีเซียเป็นครั้งแรกในรอบ 11 ปีอีกด้วย[43] ต่อมาในวันที่ 15 ตุลาคม พ.ศ. 2562 ฟุตบอลโลกรอบคัดเลือก นัดที่ 3 ธีราทรได้รับใบเหลืองสะสมในนัดที่ไทยเปิดบ้านเอาชนะสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์ไปได้ 2–1 ทำให้เขาจะไม่ได้ลงเล่นในนัดที่ไทยจะออกไปเยือนมาเลเซีย ต่อมาในวันที่ 19 พฤศจิกายน พ.ศ. 2562 ฟุตบอลโลกรอบคัดเลือก นัดที่ 5 ธีราทรยิงลูกโทษไม่เข้า ทำให้ทีมชาติไทยทำได้เพียงบุกไปเสมอกับเวียดนามที่สนามกีฬาหมีดิ่ญ 0–0[44]

ประตูในนามทีมชาติ

รุ่นอายุไม่เกิน 23 ปี

ชุดใหญ่