Ngày 5 tháng 11 năm 2014, Ceballos được triệu tập vào đội tuyển U-19 Tây Ban Nha,[22] ra sân ở trận gặp U-19 Đức, U-19 Pháp[23] và U-19 Hy Lạp.[24] Anh bắt đầu thi đấu cho đội tuyển U-21 Tây Ban Nha ngày 26 tháng 3 năm 2015, vào thay cho Samu Castillejo sau giờ nghỉ ở trận giao hữu thắng 2–0 trước Na Uy tại Cartagena, Murcia;[25] bốn ngày sau, tại León, anh lần đầu đá chính, trong trận thắng 4–0 trước Belarus.[26]

Mặc dù khởi đầu giải vô địch bóng đá U-21 châu Âu tại Ba Lan năm 2017 từ băng ghế dự bị, màn trình diễn của Ceballos đã giúp U-21 Tây Ban Nha tiến vào vòng 2. Anh được chọn là cầu thủ xuất sắc nhất giải.[27]

Anh đã cùng U-21 Tây Ban Nha vô địch giải U-21 châu Âu 2019. Anh được bầu chọn vào đội hình tiêu biểu của giải.[28]

Ceballos ra mắt đội tuyển Tây Ban Nha ngày 11 tháng 9 năm 2018, chơi trọn trận thắng 6–0 trên sân nhà trước Croatia tại UEFA Nations League.[29] Tại giải đấu này, anh ghi bàn đầu tiên cho đội tuyển vào ngày 15 tháng 11, nhưng trận đó Tây Ban Nha thua 2–3 tại Zagreb trước Croatia.[30]