Trước khi đại diện cho đội tuyển quốc gia, Giroud chưa chơi một phút nào cho đội tuyển trẻ quốc gia. Năm 2001, anh được gọi lên đội U-16 bên cạnh những cầu thủ như Yoann Gourcuff, Yohan Cabaye và Sylvain Marveaux bởi huấn luyện viên Pierre Mankowski để tham gia một trại huấn luyện ở học viện Clairefontaine.[61] Sau khi tham gia trại, Giroud không được gọi lên trong suốt thời gian chiến dịch U-16 từ 2001-02.

Ngày 3 tháng 11 năm 2011, trong nỗ lực nhằm tưởng thưởng cho màn trình diễn xuất sắc của Giroud trong màu áo Montpellier ở giải đấu nội địa, huấn luyện viên đội tuyển quốc gia Laurent Blanc đã đặt tên tiền đạo này vào đội hình để chơi trong các trận giao hữu gặp tuyển Mỹ và Bỉ lần lượt vào ngày 11 và 15 tháng 11 năm 2011.[62][63] Giroud miêu tả cuộc gọi là "một giấc mơ thuở nhỏ trở thành sự thật", trong khi cũng phát biểu rằng anh rất "vô cùng thỏa mãn và một đặc ân" để đại diện cho đội tuyển quốc gia.[64] Anh có trận ra mắt quốc tế đầu tiên của mình trong trận đối đầu tuyển Mỹ khi vào sân thay người. Pháp giành chiến thắng chung cuộc 1-0.[65] Trong trận gặp Bỉ, Giroud kiếm được một lần vào sân thay người khác khi trận đầu kết thúc với tỉ số 0-0.[66] Ngày 29 tháng 2 năm 2012, Giroud ghi bàn thắng đầu tiên trong sự nghiệp thi đấu quốc tế trong trận giao hữu thắng 2-1 trước tuyển Đức. Ba tháng sau anh có tên trong đội hình tham dự Euro 2012.[67] Hai ngày trước khi đợt công bố đội hình chính thức cuối cùng, Giroud kiến tạo hai bàn trong trận giao hữu thắng lội ngược dòng 3-2 của tuyển Pháp trước Iceland.[68]

Tại World Cup 2014 tổ chức tại Brasil, anh chỉ có được một bàn thắng trong trận thắng 5-2 của đội tuyển Pháp trước Thụy Sĩ.

Trong trận mở màn Euro 2016, Pháp đánh bại România 2-1. Giroud đánh dấu lần thứ 50 khoác áo tuyển Pháp bằng việc có tên trong đội hình xuất phát và chơi trọn vẹn cả trận đấu; anh ghi bàn mở tỉ số bằng pha đánh đầu thành bàn từ đường chuyền của Dimitri Payet ở phút thứ 57.[69][70] Ở vòng tứ kết, Giroud tiếp tục tỏa sáng với một cú đúp giúp đội chủ nhà Pháp giành chiến thắng 5-2 trước Iceland. Đội tuyển Pháp sau đó lọt vào trận chung kết và thua Bồ Đào Nha với tỉ số 0-1.

Năm 2018, anh cùng đội tuyển Pháp giành chức vô địch lần thứ hai sau khi vượt qua Croatia ở trận chung kết.