Kariera reprezentacyjna Thiago występował również w młodzieżowych reprezentacjach Hiszpanii. Z drużyną U-17 uczestniczył w Młodzieżowych Mistrzostwach Europy w Turcji na których Hiszpanie zajęli pierwsze miejsce. W finałowym meczu z reprezentacją Francji Thiago zdobył jednego z goli. Dwa lata później Thiago uczestniczył w Mistrzostwach Europy U-19 odbywających się we Francji. Był podstawowym zawodnikiem reprezentacji Hiszpanii, która doszła do finału tej imprezy. We wrześniu 2010 zadebiutował w reprezentacji U-21 w meczu z Holandią. 21 czerwca 2013 roku został wybrany najlepszym piłkarzem Mistrzostw Europy U-21, po zdobyciu hat-tricka w finale przeciwko reprezentacji Włoch (4:2).
W seniorskiej reprezentacji Hiszpanii zadebiutował 10 sierpnia 2011 roku towarzyskim meczem z Włochami. Jego pierwszym meczem o punkty było zwycięstwo 6:0 z Liechtensteinem odniesione 6 września 2011 w eliminacjach Mistrzostw Europy 2012. Ze względu na odniesione kontuzje nie mógł zagrać w finałach Mistrzostw Europy w 2012 roku ani Mistrzostw Świata w 2014 roku. Reprezentował Hiszpanię w Mistrzostwach Europy w 2016 roku, Mistrzostwach Świata w 2018 roku i Mistrzostwach Europy w 2020 roku.