Batshuayi từng là thành viên đội U-21 Bi và ghi được 3 bàn tại vòng loại giải U-21 châu Âu 2013, trong đó có cú đúp vào lưới U-21 Iceland.[64] Anh có thể thi đấu cho đội tuyển Bỉ và đội tuyển Cộng hòa Dân chủ Congo và vào tháng 3 năm 2015, anh đã tuyên bố lựa chọn đội tuyển Bỉ là quốc gia nơi anh sinh ra và lớn lên.[65]

Batshuayi có trận đấu ra mắt cho “Những con quỷ đỏ” vào ngày 28 tháng 3 năm 2015 trong trận đấu với Síp thuộc vòng loại Euro 2016. Vào sân thay cho Christian Benteke ở phút thứ 77, chỉ ba phút sau đó, anh có pha lập công ấn định chiến thắng 5–0.[66] Anh có pha lập công thứ hai cho đội tuyển khi ghi bàn ấn định chiến thắng 3-1 trong trận giao hữu với Ý.[67]

Batshuayi được huấn luyện viên Marc Wilmots triệu tập vào đội hình đội tuyển Bỉ tham dự Euro 2016 tại Pháp.[68] Anh có lần xuất hiện đầu tiên tại giải đấu này ở phút thứ 76 trận đấu vòng 1/16 với Hungary, thay cho tiền đạo Romelu Lukaku. Ngay trong lần chạm bóng đầu tiên, anh đã nâng tỉ số trận đấu lên 2-0 (chung cuộc Bỉ thắng 4-0).[69] Trong trận tứ kết sau đó thua Wales 1-3, anh vào sân ở phút 83 và cũng thay cho Lukaku.[70]

Anh tiếp tục được tân huấn luyện viên Roberto Martínez triệu tập tham dự World Cup 2018 tại Nga.[71] Tại giải này, anh chỉ có được một bàn thắng trong chiến thắng 5-2 trước Tunisia tại vòng bảng.[72] Đội tuyển Bỉ sau đó kết thúc giải với vị trí thứ ba chung cuộc.