Fati chào đời tại Guinea-Bissau trước khi cả gia đình nhập cư vào Tây Ban Nha nên có thể chọn thi đấu cho một trong hai đội tuyển này. Anh còn có thể chọn đội tuyển Bồ Đào Nha vì ông bà anh sinh ra tại Guinea Bồ Đào Nha.[24][25] Fati chính thức nhập quốc tịch Tây Ban Nha vào ngày 20 tháng 9 năm 2019.[26]

Ngày 11 tháng 10 năm 2019, anh được triệu tập vào đội tuyển U21 Tây Ban Nha thay thế cho Carles Pérez bị chấn thương.[27] Bốn ngày sau đó, anh có trận đấu đầu tiên cho U21 Tây Ban Nha trong chiến thắng 2-0 trước U21 Montenegro.[28]

Fati lần đầu được triệu tập lên đội tuyển quốc gia Tây Ban Nha vào ngày 20 tháng 8 năm 2020 để chuẩn bị cho các trận đấu ở Nations League vào tháng 9 với Đức và Ukraina.[29] Anh có trận ra mắt đội tuyển vào ngày 3 tháng 9 năm 2020 khi vào sân từ băng ghế dự bị ở hiệp 2 trận hòa 1–1 với tuyển Đức.[30] Ngày 6 tháng 9 năm 2020, tiền đạo của Barca được huấn luyện viên Luis Enrique xếp đá chính trong trận tuyển Tây Ban Nha tiếp đón Ukraina. Phút 32, anh ghi bàn nâng tỷ số lên 3–0 và trở thành cầu thủ trẻ nhất ghi bàn trong lịch sử đội tuyển Tây Ban Nha khi mới 17 tuổi 311 ngày.[31]