Unas semanas después de esa invitación, Guillermo debutó con el primer equipo, sustituyendo al que en ese tiempo era el portero titular, Adolfo Ríos, quien sufría de una lesión. Ochoa sustituyó a Ríos tanto para partidos de liga como para partidos de Copa Libertadores de América. Su buen desempeño en la portería americanista le valió que el entonces técnico de la selección mexicana sub-20, Humberto Grondona, lo seleccionara y lo nombrara capitán del equipo; así mismo, tras el retiro de Adolfo Ríos, se afianzó en la titularidad de guardameta americanista.

En la siguiente temporada, la selección mexicana no calificó a la Campeonato Mundial Juvenil de la FIFA en Holanda, y el nuevo técnico del América, el argentino Óscar Ruggeri, que había contratado a los guardametas Sebastián Saja y Ricardo Martínez, dejó relegado a Guillermo Ochoa.

Tras un mal comienzo de temporada, Ruggeri es destituido de su cargo, siendo reemplazado por Mario Carrillo. Con la llegada del nuevo técnico, Ochoa regresa a la titularidad.

Durante el mismo año, América dominó el fútbol mexicano y Guillermo Ochoa fue una pieza importante en el nivel del equipo. Al final de la temporada, Las Águilas del América obtuvieron el título del torneo Clausura 2005, con una racha de 28 partidos sin derrota entre partidos nacionales e internacionales. Ochoa destacó en esa temporada, no solamente por su trabajo profesional, sino por el control de sí mismo, aún con su corta edad, lo que se consideró como "algo totalmente anormal para un adolescente expuesto a todos los reflectores".

Por ello, y, ante la presión de los aficionados americanistas, el técnico de la selección mayor, Ricardo Antonio Lavolpe, lo convocó para la Copa de Oro 2005 y lo mantuvo en varias concentraciones del equipo, aunque nunca jugó.

Fue hasta el 14 de diciembre, en un partido frente a Hungría que termino 2 - 0 en favor de los mexicanos con anotaciones de Francisco Kikin Fonseca y Joel Huiqui, que Ochoa jugó para la selección nacional. Al respecto, la FIFA declaró que "El acontecimiento más importante sucedido en ese partido fue el debut en la selección mexicana absoluta de uno de los más grandes talentos surgidos en México en los últimos años: el portero, de 20 años, Francisco Guillermo Ochoa. Tras la lesión del guardameta titular de la Selección Mexicana Oswaldo Sánchez, Ochoa alcanzó la titularidad.".

Es el único jugador mexicano que aparece incluido en la lista de una revista francesa quien premia al mejor jugador del año con el denominado "Balón de Oro" 2007, aunque el galardón no es reconocido por la FIFA, desde 2007 abarca a futbolistas de todo el planeta y que juegan en todos los países. Cabe mencionar que en base a su talento y popularidad,la empresa EA Sports lo incluye, junto a Ronaldinho, en la portada del videojuego multiconsola FIFA 08 en su versión para norteamérica (México y EEUU). Este portero ha sido incorporado de igual manera a la seleccion movistar del 2007 siendo la humildad y una gran habilidad su principal caracteristica.

El Diario El Pais (Uruguay), lo nombro el mejor portero de America en el año 2007, quedando cuarto en la votacion al mejor jugador de America.

Después del encuentro contra Hungría, en el cual debutó como portero del Equipo Mayor de México, Francisco Guillermo Ochoa fue llevado al año siguiente a la Copa Mundial de Alemania 2006 como suplente de Oswaldo Sánchez, al igual que José de Jesús Corona. Al terminar la gestión de Ricardo Lavolpe, es considerado en las convocatorias de Hugo Sánchez para integrar el plantel azteca.

En el 2007 jugó en el primer cotejo de la Copa Oro en contra de Cuba, en el que se impuso el tricolor por 2-1. Más tarde, en la Copa América tendría su oportunidad contra Chile en un encuentro sin goles y contra Uruguay en el duelo por el 3er lugar donde el cuadro azteca venció a los charrúas por 3-1. A partir de los encuentros contra Colombia, Panamá, Brasil, Nigeria y Guatemala el jugador del Club América ganó más minutos como titular.

En el 2008, Guillermo Ochoa fue convocado para enfrentar a Estados Unidos, consiguiendo un empate a 2 tantos y posteriormente se reportó al equipo Sub-23 que disputaría el Torneo Preolímpico de Concacaf con miras a obtener el derecho de participar en las Olimpiadas de Beijing como capitán del grupo. Tras no obtener el pase a los Juegos Olímpicos, Ochoa regresó con la verde mayor dirigida por Jesús Ramírez para formar parte de la lista a fin de jugar los encuentros contra China, Argentina y Perú con carácter de preparación y después el equipo enfrentaría a Belice en la Eliminatoria Mundialista de Concacaf. Con la llegada del entrenador sueco Sven-Göran Eriksson, Ochoa permaneció constante en la lista de llamados al equipo.

En el 2009, el cancerbero americanista volvió a la titularidad en el partido contra Bolivia con resultado de 5-1 y más tarde participó en el hexagonal final tras vencer a Costa Rica por 2-0 y sufrir una derrota ante Honduras por 3-1. Con Javier Aguirre obtuvo la oportunidad de jugar contra Venezuela con marcador de 4-0 y alineó en todos los cotejos de la Copa Oro con los que a la postre se coronó campeón. De regreso al hexagonal, el jaliscience disputó todos los encuentros con los que se logró la clasificación a la Copa Mundial de Sudáfrica 2010.