Ở cấp độ trẻ, Anelka chơi cho U-20 Pháp tại Giải vô địch U-20 thế giới năm 1997, và ra mắt ĐTQG trong trận hòa không bàn thắng với Thụy Điển vào ngày 22 tháng 4 năm 1998. Anelka không được lựa chọn cho đội hình tham dự World Cup 1998 mà Pháp vô địch, nhưng nhanh chóng trở thành lựa chọn hàng đầu trong chiến dịch vòng loại Euro 2000. Anh ghi bàn thắng trong chiến thắng 3-2 của Pháp trước Nga ngay trong trận đấu quốc tế đầu tiên ở một giải chính thức và ghi cả hai bàn thắng trong chiến thắng 2-0 trước Anh tại sân vận động Wembley vào tháng 2 năm 1999. Anelka xuất hiện lần đầu tiên ở một giải đấu lớn tại Euro 2000, mà Pháp tiếp tục vô địch. Anh cũng là một phần của đội hình giành FIFA Confederations Cup 2001. Mặc dù có một khởi đầu đầy hứa hẹn, Anelka đã đánh mất vị trí ở đội tuyển quốc gia từ năm 2001 đến 2007 vì không thi đấu ổn định ở cấp câu lạc bộ, chủ yếu vì anh thường xuyên chuyển câu lạc bộ trong giai đoạn này. Khi tiền đạo Djibril Cissé rút lui trước thềm World Cup 2006 vì chấn thương, tiền đạo Sidney Govou của Lyon được triệu tập lên làm người thay thế Cissé thay vì Anelka.

Anelka vào sân thay người ở vòng loại Euro 2008 trong trận đấu với Litva vào ngày 24 tháng 3 năm 2007 và ghi bàn thắng duy nhất trong chiến thắng 1-0. Sau màn trình diễn của mình, Anelka đã được HLV Raymond Domenech khen ngợi: "Đó là Nicolas mà tôi muốn thấy ... khi anh ấy thể hiện những phẩm chất này, anh ấy sẽ là một ứng cử viên sáng giá cho một vị trí chính thức." Anh cũng ghi bàn trong chiến thắng 2-0 trước Ukraine vào ngày 2 tháng 6 năm 2007.

Anelka có tên trong đội hình tuyển Pháp tham dự Euro 2008 tại Áo và Thụy Sỹ. Anelka ra sân ngay từ đầu trong trận mở màn của Pháp với Romania, nhưng do thi đấu mờ nhạt, anh bị thay ra sau 72 phút. Anh không có tên trong đội hình xuất phát ở cả hai trận đấu còn lại của Pháp với Hà Lan và Ý, nhưng được thay vào sân trong cả hai trận đấu nói trên.

Anelka đã đóng một vai trò quan trọng trong trận lượt đi play-off vòng loại World Cup 2010 của Pháp với Cộng hòa Ireland tại Dublin. Anh đã ghi bàn thắng duy nhất ở phút 72, giúp Pháp thắng 1-0 và nắm lợi thế với một bàn thắng trên sân khách. Pháp sau đó đã vượt qua vòng loại với trận hòa 1-1 trên sân nhà, nhưng bàn gỡ hòa của Les Bleus gây tranh cãi vì pha chơi bóng bằng tay trước đó của Thierry Henry.

Ở World Cup 2010, Anelka bị đuổi về nước sau khi lăng mạ HLV Raymond Domenech trong giờ nghỉ giữa hiệp trận thua 0-2 trước Mexico[9]. Ban đầu anh bị Domenech chỉ trích về màn trình diễn kém thuyết phục trên sân, Anelka được cho là đã nói: "Va te faire enculer, sale fils de pute", có nghĩa là, "Ông chỉ là thứ con hoang của đồ đĩ điếm." Vụ việc được báo chí Pháp đưa tin, và cầu thủ này từ chối công khai xin lỗi khi được chủ tịch Liên đoàn bóng đá Pháp (FFF) Jean-Pierre Escalettes yêu cầu. Với việc Anelka từ chối xin lỗi, ban huấn luyện cùng lãnh đạo FFF đã nhất trí đi đến quyết định đuổi anh khỏi đội bóng. Ngày hôm sau, toàn bộ đội bóng do đội trưởng Patrice Evra dẫn đầu đã từ chối vào sân tập luyện để phản đối việc FFF đuổi Anelka về nước. Anelka sau đó đã bị FFF treo giò 18 trận ở ĐTQG cho scandal của anh[10]. Điều này khiến cơ hội trở lại ĐTQG của Anelka coi như chấm dứt. Tuy nhiên cầu thủ này tuyên bố sẽ "chết vì quá buồn cười" với lệnh cấm 18 trận, vì anh đã quyết định giã từ sự nghiệp quốc tế sau World Cup năm đó[11]. Anelka cũng cho rằng quyết định cấm thi đấu 18 trận ở đội tuyển quốc gia đối với anh chỉ là một màn kịch để FFF đỡ mất mặt[12].