2023年1月6日に野球日本代表監督の栗山英樹から第5回WBCの日本代表の一部メンバーが先行発表され、代表入りが正式に決まった。
3月9日、日本代表のWBC初戦である中国戦に「3番・投手兼DH」で先発出場。打っては2点二塁打など2安打で白星に貢献し、4回1安打無失点に抑え勝利投手となる。その後の韓国戦、チェコ戦、オーストラリア戦も全試合「3番・DH」で出場し、1次ラウンドは全4試合で貴重な打点を記録、12打数6安打の打率.500、1本塁打、8打点となった。オーストラリア戦では、場内の自分が出演している大看板にホームランを直撃させた。日本代表は4戦全勝でグループリーグを首位で突破し、自身も1次ラウンドのMVPを受賞した。
同16日、今大会から初めて導入された準々決勝のイタリア戦に「3番・投手兼DH」で投打同時出場。立ち上がりから気迫のこもった投球を見せメジャー移籍後最速となる164キロの速球を軸に、5回途中5奪三振2失点で勝利投手となり、打者では相手の意表をつくバント安打で好機を広げ勝利に貢献した。準々決勝の先発に大谷を起用したことについて、監督の栗山英樹は帰国後の「報道ステーション」でのインタビューで「準々決勝で大谷選手とダルビッシュ選手の2人を使いました。それを『もったいない』という意見ももちろんあるんですけど、負けたら終わりなんで」と語った。
勝利に飢えて闇堕ちしてしまった
パワポケの天道とかキャプテンの井口とか
力こそ正義になったか
今永が倒すんやろなぁ
キラヤマト的な
強さだけを求めて生きてるような