Trưởng thành từ lò đào tạo Hà Nội, Đình Trọng từng cùng U19 Việt Nam tham dự VCK U19 châu Á 2016, qua đó giành vé dự FIFA U-20 World Cup 2017. Dưới thời Park Hang-seo, trung vệ sinh năm 1997 là trụ cột trong hành trình giành Á quân AFC U-23 Championship 2018, hạng tư Asian Games 2018 và vô địch AFF Cup 2018 (nay là ASEAN Cup).
Tuy nhiên, sự nghiệp của Đình Trọng bị ảnh hưởng nặng nề bởi chấn thương. Ngoài hai lần đứt dây chằng đầu gối vào tháng 6/2019 và tháng 1/2023, anh còn trải qua phẫu thuật xương bàn chân và rách sụn chêm. Chính những chấn thương liên tiếp khiến trung vệ này nhiều lần lỡ hẹn với ĐTQG. Lần gần nhất Trần Đình Trọng khoác áo ĐTQG Việt Nam là ở trận giao hữu thắng Singapore 4-0, diễn ra ngày 21/9/2022.
Chia sẻ về lần trở lại, Đình Trọng cho biết anh cảm thấy rất vui khi thấy tên mình trong danh sách triệu tập. Trung vệ của Công an Hà Nội đã có màn trình diễn ấn tượng tại V.League thời gian qua và nhận được sự tin tưởng từ HLV Kim Sang-sik. Để có được điều đó, anh đã phải nỗ lực rất nhiều trong quá trình hồi phục và lấy lại phong độ sau chấn thương.
“Gia đình là nguồn động lực lớn giúp tôi trở lại sau chấn thương”, Đình Trọng chia sẻ, đồng thời nhấn mạnh sự cạnh tranh vị trí nơi hàng thủ ĐTQG hiện tại là rất cao bởi có sựt xuất hiện của nhiều trung vệ xuất sắc ở V.league. Theo Trọng, bản thân sẽ phải cố gắng nhất nhiều để có được một vị trí chính thức.
Trước trận đấu với ĐTQG Malaysia, trong bối cảnh ĐTQG Việt Nam đang dẫn đầu bảng với 15 điểm sau phán quyết xử thắng của Liên đoàn Bóng đá châu Á ở trận đấu hồi tháng 6/2025, Đình Trọng khẳng định nếu được trao cơ hội ra sân, anh sẽ thi đấu hết mình để cống hiến.
Theo dự kiến ĐTQG Việt Nam sẽ có trận đấu giao hữu ĐTQG Bangladesh vào tối 26/3 tại Hà Nội trước khi bước vào trận đấu cuối tại Vòng loại ASIAN Cup 2027 với ĐTQG Malaysia vào tối 31/3 tới.
AFC xử thua Malaysia, ĐT Việt Nam sớm giành vé dự Vòng chung kết Asian Cup 2027 
