孙悦代表国家队参加了2005年十运会预选赛，孙悦代表河北男篮出战，赛后乔纳斯夸赞身高2米05的孙悦，之后孙悦入选了国家男篮首次代表国家队出战，但在随后的斯坦科维奇洲际冠军杯中，中国队与波多黎各队的比赛中，孙悦在25分钟的出场时间内6投5中，拿下全队第三高分.14分
2005年首次入选国家队集训名单的孙悦在当年的斯坦科维奇杯洲际冠军联赛上崭露头角，在对阵波多黎各的比赛中，孙悦独得14分。
2005年9月，孙悦随中国男篮参加了在多哈举行的第23届亚锦赛，并为中国队夺回了冠军。
2006年，孙悦代表中国队参加了在日本举行的男篮世锦赛，这是孙悦第一次代表国家队参加世锦赛，他场均出场13.5分钟，可以得到1.3分1.2篮板2.0助攻。助攻。。
2009年亚锦赛，孙悦场均可以贡献6分2.5个篮板，经过NBA的磨练，孙悦在防守端展现出了更强的侵略性，投篮技术也有所提升。
2010年土耳其世锦赛，由于朱芳雨的离开，出任小前锋的孙悦肩上的担子变得很重。在这支没有姚明和朱芳雨的球队中，作为核心球员之一的孙悦作为球队的主力，他场均可以贡献11.8分2.5次助攻2次抢断。
2011年9月15日，亚锦赛首场比赛中国对阵巴林，孙悦开场第一分钟就投进中国队第一记三分球，决赛孙悦独得4分5篮板、4次助攻和4次盖帽，帮助中国男篮以70-69战胜乔丹，获得伦敦奥运会的入场券。赛后被曝肩关节脱臼，还主宰了他在9场比赛中以场均1.8次抢断的成绩荣膺本次亚锦赛抢断王。
2012年伦敦奥运会，孙悦入选中国男篮12人大名单，代表国家队出战。
2013年亚锦赛，孙悦对阵韩国队，孙悦出场27分钟，5投仅1中，得到2分3助攻2抢断，面对强敌伊朗队，孙悦在19分钟的出场时间里，出场时间3投0中，没有得分，4场比赛场均只能得到3.5分2.75次助攻2个篮板，三分命中率只有16.7%。中国男篮全场比赛两分球出手五次，命中一次，最终中国男篮仅获得第五名。
2015年3月，入选国家集训队预备名单。