बरबातोव ने 17 नवम्बर 1999 को ग्रीस के खिलाफ एक दोस्ताना मैच से बुल्गारिया की ओर से अपनी शुरुआत की। 12 फ़रवरी 2000 को चिली के खिलाफ एक दोस्ताना मैच में उन्होंने राष्ट्रीय टीम के लिए अपना पहला गोल स्कोर किया। 14 अक्टूबर 2009 को 2010 फीफा विश्व कप के एक योग्यता मैच में जॉर्जिया के खिलाफ 6-2 से हुई घरेलू जीत में उन्होंने हैटट्रिक की, जिससे राष्ट्रीय टीम के लिये उनके गोलों की संख्या 46 हो गई जो बुल्गारिया के सर्वकालीन टॉप स्कोरर ह्रिस्टो बोनेव के गोलों से एक कम थी। उन्होंने 18 नवम्बर 2009 को माल्टा के खिलाफ एक दोस्ताना मैच में 4-1 की घर से बाहर जीत में दो गोल किये तथा बुल्गारिया की राष्ट्रीय टीम के सर्वकालीन टॉप स्कोरर बन गये।

2006 में स्टिलियान पेत्रोव के बाद बरबातोव 2006 से 2010 तक टीम के कप्तान भी रहे। अपने प्रदर्शन की हाल ही में आलोचना के बीच अपनी टीम के प्रति बढ़ते मोहभंग के साथ ही कुछ व्यक्तिगत समस्याओं का हवाला देते हुए बरबातोव ने 13 मई 2010 को अंतरराष्ट्रीय फुटबॉल से संन्यास लेने की घोषणा की। अपने संन्यास के बारे में उन्होंने कहा: "यह एक मुश्किल निर्णय था, लेकिन कभी कभी हमें कठिन निर्णय लेने होते हैं।"

अंतर्राष्ट्रीय करियर
2008-09 सीज़न
2009-10 सीज़न
2006-07 सीज़न