Payet được gọi vào đội tuyển quốc gia lần đầu tiên tại vòng loại Euro 2012 năm 2010 trong trận đấu với România và Luxembourg.

Tháng 5 năm 2016, Payet có tên trong đội hình tuyển Pháp tham dự Euro 2016.[8] Trong trận đấu mở màn gặp România, Payet đã ghi bàn thắng quyết định giúp đội chủ nhà Pháp đánh bại với tỉ số 2-1. Ở lượt đấu thứ hai bảng A, anh tiếp tục tỏa sáng với bàn thắng quyết định ở phút bù giờ thứ sáu của hiệp 2 giúp những chú gà trống Gaulois vượt qua Albania với tỉ số 2-0. Kết thúc vòng bảng, chủ nhà Pháp dẫn đầu bảng A với 7 điểm. Ở vòng đấu tứ kết, Payet chỉ có một bàn thắng trong chiến thắng 5-2 trước đối thủ yếu Iceland. Đội tuyển Pháp sau đó đã lọt vào trận chung kết Euro 2016 và thua chung cuộc 0-1 trước Bồ Đào Nha.