*Số trận ra sân và số bàn thắng ở câu lạc bộ tại giải quốc gia, chính xác tính đến 25 tháng 2 năm 2022 ‡ Số trận ra sân và số bàn thắng ở đội tuyển quốc gia, chính xác tính đến 4 tháng 11 năm 2018
Bốn năm sau, anh tham dự kỳ AFF Cup thứ 2 dưới sự dẫn dắt của huấn luyện viên Toshiya Miura.
Năm 2016, dưới thời HLV Nguyễn Hữu Thắng, Thanh Trung trở thành cầu thủ quan trọng của tuyển Việt Nam. Trong trận đấu gặp Singapore tại giải đấu giao hữu AYA Bank Cup 2016, anh ghi bàn trong hiệp phụ giúp Việt Nam thắng 3–0, đây cũng là bàn thắng đầu tiên của anh cho đội tuyển quốc gia. Tại AFF Cup 2016, Thanh Trung được ra sân 5 trận, đội tuyển dừng chân tại bán kết khi để thua với tổng tỷ số 3–4 trước Indonesia.
Sau khi Lê Công Vinh giải nghệ, Thanh Trung trở thành người giữ băng thủ quân của đội tuyển quốc gia. Năm 2018, anh được gọi vào danh sách sơ bộ tham dự AFF Cup 2018 của đội tuyển Việt Nam nhưng không lọt vào danh sách 23 cầu thủ chính thức. Ngay sau đó, anh cũng đã nói lời chia tay đội tuyển quốc gia.[2]
Năm 2024, Đinh Thanh Trung cùng bốn cầu thủ khác của câu lạc bộ Hồng Lĩnh Hà Tĩnh đã bị tạm giữ vì liên quan việc sử dụng ma túy tại một khách sạn ở thành phố Hà Tĩnh.[1][5] Anh bị tuyên án 4,5 năm tù vào ngày 27 tháng 8 năm 2024 vì hành vi chủ mưu tổ chức sử dụng ma túy.[6]
