ชนาธิป ได้ลงสนามให้ทีมชาติไทยชุดใหญ่เป็นครั้งแรกในการแข่งขันนัดอุ่นเครื่องกับทีมชาติภูฏาน เมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายน พ.ศ. 2555 ที่สนามไทย-ญี่ปุ่น ดินแดง โดยถูกเปลี่ยนตัวลงมาในครึ่งหลังและทีมชาติไทยชนะไป 5-0
จากนั้นวินฟรีด เชเฟอร์ได้คัดเลือกให้เป็นหนึ่งในผู้เล่นชุดเอเอฟเอฟ ซูซูกิ คัพ 2012 โดยชนาธิปเป็นผู้เล่นที่มีอายุน้อยที่สุดภายในทีม และได้ลงสนามในรายการนี้เป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 30 พฤศจิกายน พ.ศ. 2555 ที่ทีมชาติไทย พบกับทีมชาติเวียดนาม ในรอบแบ่งกลุ่ม โดยถูกเปลี่ยนตัวลงมาเล่นแทน ปิยพล บรรเทา ที่มีอาการบาดเจ็บ (จบเกมส์ไทยชนะ 3-1) จากนั้นเขามีโอกาสลงสนามอีกครั้งหนึ่งในนัดชิงชนะเลิศนัดที่ 2 พบกับทีมชาติสิงคโปร์ ชนาธิปมีโอกาสเลี้ยงกระชากหนีนักเตะสิงคโปร์และยิงประตูหนึ่งครั้ง แต่ไม่สำเร็จ และได้รองแชมป์ในที่สุด
ปีพ.ศ. 2556 ได้เล่นในฟุตบอลชิงถ้วยพระราชทานคิงสคัพ ครั้งที่ 42 ปี พ.ศ. 2556 ที่จัดขึ้นที่จังหวัดเชียงใหม่ โดยมีทีมที่เข้าร่วมแข่งขันคือเกาหลีเหนือ,สวีเดน และฟินแลนด์
ในการแข่งขันนัดแรกที่ทีมชาติไทยพบทีมชาติฟินแลนด์ เมื่อวันที่ 23 มกราคม พ.ศ. 2556 ที่สนามกีฬาสมโภชเชียงใหม่ 700 ปี ชนาธิป ลงเล่นเป็นตัวจริง แต่จบด้วยการแพ้ฟินแลนด์ 1-3 ทำให้ต้องชิงที่ 3 กับเกาหลีเหนือ โดยการแข่งขันนัดชิงที่ 3 วันที่ 26 มกราคม ชนาธิปลงเล่นเป็นตัวจริงอีกครั้ง ก่อนจะเสมอกันไป 2-2 คว้าอันดับ 3 ร่วมไปครอง
ในการแข่งขันฟุตบอลเอเชียนคัพ 2015 รอบคัดเลือก ไทยอยู่ร่วมสายกับ อิหร่าน คูเวต และเลบานอน นัดแรก 6 กุมภาพันธ์ 2556 ไทยเปิดสนามราชมังคลากีฬาสถาน พบกับ ทีมชาติคูเวต ชนาธิป มีชื่อเป็นตัวสำรองและได้ลงสนามแทนจักรพันธ์ พรใสในนาทีที่ 72 ถัดจากนั้น 3 นาที ชนาธิปสามารถทำประตูตีไข่แตกได้ และจบเกมส์ไทยเปิดบ้านแพ้คูเวตไป 1-3 โดยประตูดังกล่าวถือว่าประตูแรกของชนาธิป ในการเล่นให้กับทีมชาติชุดใหญ่
ชนาธิป เป็นตัวหลักในยุคของซิโก้ เกียรติศักดิ์ เสนาเมือง กุนซือที่รับหน้าที่กุนซือขัดตาทัพสำหรับทีมชาติชุดใหญ่แทนวินฟรีด เชเฟอร์ โดยซิโก้ประเดิมคุมทีมชาติชุดใหญ่เมื่อ 15 มิถุนายน 2556 โดยได้นำนักเตะชุดซีเกมส์ 2013 ไปอุ่นเครื่องกับทีมชาติจีน และชนะทีมชาติจีนคาบ้านถึง 1-5 โดยชนาธิปเป็นหนึ่งในผู้ทำประตูด้วย
ในการแข่งขันเอเอฟเอฟ ซูซูกิ คัพ 2014 ชนาธิปเล่นได้อย่างโดดเด่น และเป็นผู้เล่นที่ถูกจับตามองในการแข่งขันครั้งนี้ ในนัดชิงชนะเลิศที่ ไทย พบกับ มาเลเซีย ทางมาเลเซียระบุว่าชนาธิปเป็น 1 ใน 3 ผู้เล่นของไทยที่ต้องระวัง (อีก 2 คน คือ กวินทร์ ธรรมสัจจานันท์ และ ชาริล ชับปุยส์) ในการแข่งขันนัดชิงชนะเลิศนัดที่ 2 ที่ไทยเป็นฝ่ายแพ้ไป 3-2 แต่โดยผลการแข่งขันรวมแล้ว ไทยชนะไป 4-3 ชนาธิปเป็นผู้ยิงประตูที่ 2 ให้กับไทยได้ในนาทีที่ 86 จากลูกยิงนอกเขตโทษ ทำให้ไทยได้แชมป์รายการนี้ไปเป็นสมัยที่ 4 และเป็นแชมป์ครั้งแรกในรอบ 12 ปี นอกจากแล้ว ชนาธิป ยังได้รางวัลผู้เล่นยอดเยี่ยมในรายการนี้ไปอีกด้วย[1]