Am 3. September 2004 gab Stekelenburg sein Debüt in der niederländischen Nationalmannschaft. In einem Freundschaftsspiel gegen Liechtenstein (3:0) wurde er nach der Pause für Stammtorhüter Edwin van der Sar eingewechselt. Neben den Torhütern Van der Sar und Henk Timmer gehörte Stekelenburg zum Kader der Niederlande bei der WM 2006 in Deutschland und bei der EM 2008 in Österreich und der Schweiz.