Martial ghi 5 bàn thắng cho U17 Pháp tại vòng loại Giải bóng đá vô địch U17 châu Âu 2012: hai bàn thắng trong trận thắng 5–0 trước đội U17 Quần đảo Faroe và lập cú hat-trick trong trận đấu với U17 Bắc Ireland tại Luxembourg.[14] Anh được góp mặt trong hai trận đấu vòng loại với U17 Thụy Sĩ và U17 Thụy Điển để góp mặt tại vòng chung kết.[15] Anh đã ghi thêm 1 bàn thắng trong trận cuối cùng của vòng bảng tại Slovenia, trong trận hòa 2–2 với U17 Iceland tại Domžale Sports Park.[16]

Martial chơi cả năm trận cho Đội tuyển bóng đá U19 Quốc gia Pháp tại Giải bóng đá vô địch U19 châu Âu 2013 tại Lithuania nhưng kết thúc vị trí á quân sau U19 Serbia.[17]

Ngày 26 tháng 8 năm 2015, Martial được triệu tập lần đầu tiên lên Đội tuyển bóng đá quốc gia Pháp tham dự Euro 2016, giải đấu mà anh và các đồng đội đã lọt vào đến trận chung kết nhưng chịu thất bại trước đội tuyển Bồ Đào Nha và giành vị trí á quân.