Donnarumma là thủ môn bắt chính cả năm trận đấu của đội tuyển U-17 Ý tham gia Giải vô địch bóng đá U-17 châu Âu 2015. U-17 Ý bị loại ở tứ kết sau trận thua 3-0 trước U-17 Pháp[16] và sau đó mất luôn cả suất dự Giải vô địch bóng đá U-17 thế giới 2015 sau trận thua trước U-17 Croatia.

Ngày 5 tháng 11 năm 2015, anh lần đầu tiên được triệu tập vào đội tuyển U-21 Ý.[17] Ngày 24 tháng 3 năm 2016, anh là cầu thủ trẻ nhất có trận ra mắt cho đội tuyển U-21 Ý, phá vỡ kỷ lục cũ của Federico Bonazzoli, trong chiến thắng 4-1 trước U-21 Cộng hòa Ireland.[18][19]

Ngày 31 tháng 8 năm 2016, Donnarumma lần đầu tiên được triệu tập vào đội tuyển bóng đá quốc gia Ý cho trận đấu giao hữu với đội tuyển Pháp và trận đấu tại vòng loại World Cup 2018 với Israel. Anh là cầu thủ trẻ nhất được triệu tập vào đội tuyển từ năm 1911, ở 17 tuổi và 6 tháng.[20] Ngày 1 tháng 9, sau khi vào sân thay cho Gianluigi Buffon trong trận đấu với đội tuyển Pháp, Donnarumma chính thức xác lập kỷ lục là thủ môn trẻ nhất ra sân cho đội tuyển Ý, ở 17 tuổi và 189 ngày.[21][22] Sau đó anh tiếp tục trở thành thủ môn trẻ nhất bắt chính cho đội tuyển Ý (18 tuổi và 31 ngày) trong trận đấu với Hà Lan vào ngày 28 tháng 3 năm 2017.[23]