Mistrzostwa Świata 2006 i Euro 2008 W 2006 roku został powołany przez Marco van Bastena na mistrzostwa świata, gdzie był zmiennikiem Edwina van der Sara. Wystąpił również na Euro 2008 i pełnił tam taką samą rolę. Po zakończeniu kariery reprezentacyjnej przez van der Sara Stekelenburg został pierwszym bramkarzem reprezentacji.
We wrześniu 2008 Stekelenburg został pierwszym bramkarzem reprezentacji Holandii, który otrzymał czerwoną kartkę. Został wówczas usunięty z boiska w towarzyskim meczu z Australią za faul na Joshui Kennedym.
Mistrzostwa Świata 2010 W eliminacjach do Mistrzostw Świata 2010 zagrał w pięciu meczach na osiem rozegranych przez reprezentację Holandii.
Stekelenburg znalazł się w szerokim 30-osobowym składzie Berta van Marwijka na Mistrzostwa Świata 2010 ogłoszonym 11 maja. Trzy dni później trener zmniejszył go do 27 piłkarzy, a 27 maja podał skład składający się z 23 zawodników. Uwzględnił w nim Stekelenburga.
Na Mistrzostwach Świata był podstawowym zawodnikiem. Wystąpił w siedmiu meczach reprezentacji. Holandia dotarła do finału, gdzie przegrała 0:1 Hiszpanią i zdobyła srebrny medal.