Messi llegó a los Juegos Olímpicos de Pekín 2008 después de una larga disputa entre el FC Barcelona y la AFA para poder jugar las Olimpiadas. El club español ponía objeciones para dejarle ir, y la FIFA decidió mediar en el conflicto, obligando al club a permitir el viaje de Messi a China, amparándose en un ambiguo convenio "virtual" anterior (que FIFA intentó formalizar rápidamente dadas las circunstancias[58] ), por el que los clubes dejaban ir a sus seleccionables por debajo de 23 años sin discusión. Tras ver sus derechos amenazados, el FC Barcelona decidió llevar el litigio al Tribunal Arbitral Deportivo (TAS), bajo cuyas decisiones últimas se encuentra FIFA, fallando finalmente dicho tribunal a favor del club español y anulando la obligatoriedad de liberar al jugador argentino. Tras este fallo, y gracias a la voluntad de ambas partes y a una serie de concesiones, AFA y FC Barcelona llegaron a un acuerdo final para que Lionel siguiera concentrado con sus compañeros de selección olímpica en Pekín.

Su primer partido fue el 7 de agosto ante Costa de Marfil, donde orquestó la victoria Argentina al haber marcado el primer gol a los 43 minutos y asistido a Lautaro Acosta en el minuto 86. Argentina ganó por 2-1. El segundo partido fue el 10 de agosto donde Argentina ganó por 1-0 con gol de Ezequiel Lavezzi. Messi apareció poco en el partido. En el tercer partido no fue titular, ya que Sergio Batista decidió guardarlo para el partido de cuartos de final. El 13 de agosto Argentina le gana a Serbia por 2-0 con goles de Ezequiel Lavezzi y Diego Buonanotte.


En el partido de cuartos de final contra Países Bajos, a los 13 minutos del primer tiempo, recibió un pase y eludiendo al arquero logró marcar el 1-0. Cuando estaban empatados a un gol, Messi apareció en el minuto 105 para darle un pase a Ángel Di María, que aumentó el marcador para el conjunto albiceleste. El 19 de agosto Argentina enfrento a Brasil. Messi le dejo su lugar a Sergio Agüero, que fue la figura junto a Román Riquelme, y finalmente Argentina goleo a los brasileños 3-0.


El 23 de agosto Messi y sus compañeros de selección lograron llevarse el oro olímpico en Pekín luego de vencer a Nigeria con marcador de 1-0, con gol de Di María, precedido de un pase profundo de Messi.

Tras la victoria en los juegos olímpicos de Pekín, el principal objetivo de la selección argentina pasó a ser la clasificación al Mundial 2010. El proceso de clasificación fue muy duro para la albiceleste, sufriendo inesperadas derrotas como el 1-6 frente a Bolivia y el 1-3 en casa frente a Brasil. Recayeron críticas sobre jugadores y cuerpo técnico. Uno de los más cuestionados fue Messi, con una particularidad. Ovacionado y destacado en España por su excelente desempeño en el Barcelona, y duramente cuestionado por la prensa argentina por su nivel de juego en la selección. Messi, quien brilló durante la temporada 2008/2009 en el club catalán, no lograba mantener su nivel en los partidos que disputaba con la selección argentina. Las críticas llegaron a tal punto, que la prensa creó una división entre el "Messi de allá" y el "Messi de acá". Los medios españoles, en su mayoría, coinciden en que las críticas hacia Lio son injustificadas, al igual que sus compañeros y la afición del Barça, que han manifestado públicamente su apoyo al delantero

Su debut como internacional se produjo el 16 de julio de 2003 en el partido Argentina 2:2 Uruguay en La Plata, con motivo de la inauguración del Estadio Único y de la mano de Marcelo Bielsa.

Un mes y medio después, debutaría en River Plate de la mano de Manuel Pellegrini.

Su caso constituye uno de los pocos en que un jugador debutó primeramente en una Selección Mayor antes de hacerlo en un club.

Con su selección ganó dos veces la medalla de oro olímpica, en los Juegos Olímpicos de Atenas 2004 y en los Juegos Olímpicos de Beijing 2008. También logró dos subcampeonatos en la Copa América en 2004 y 2007.

Convirtió dos goles en la Copa América 2007 de Venezuela, ante Paraguay y Perú.

En 2008, el DT de la Selección Argentina Diego Armando Maradona, designó a Mascherano como capitán, y el 19 de mayo del 2010 se confirmó para participar en la Copa Mundial de la FIFA Sudáfrica 2010. En esta competición, jugó un gran partido ante Nigeria donde la Argentina triunfó por 1-0 con gol de Gabriel Heinze. Luego formó parte del once titular en la victoria de la selección albiceleste por 4-1 ante Corea del Sur. Mascherano fue amonestado en este partido, no participando así en la victoria de Argentina por 2-0 sobre Grecia, ya que el técnico Diego Maradona lo preservó para siguientes partidos. En octavos de final participó en la victoria de Argentina por 3-1 sobre México. Javier Mascherano se afianza cada día más como capitán y titular en la selección argentina.