Misimović je odigrao jednu utakmicu za reprezentaciju SR Jugoslavije do 21 godine protiv Francuske novembra 2002. ušavši u 85. minutu. Tadašnji selektor mlade reprezentacije Vladimir Petrović Pižon ga je odbacio iz reprezentacije, rekavši da je pretežak i spor.
Debitovao je za Bosnu i Hercegovinu 18. februara 2004. protiv Makedonije. Tokom deset godina igranja za BiH nastupao je 84 puta i deli drugo mesto na listi strelaca sa Vedadom Ibiševićem sa po 26 golova.
Nakon četiri neuspela pokušaja odlaska na velika takmičenja (SP 2006, EP 2008, SP 2010. i EP 2012.), Misimoviću se velika želja ostvarila odlaskom na Svetsko prvenstvo 2014. godine u Brazilu na kojem je nastupio na dvije utakmice.
Uz Misimovića danas su se od reprezentacije oprostili Vedad Ibišević i Emir Spahić.
