Dembélé được triệu tập vào Đội tuyển bóng đá quốc gia Pháp lần đầu tiên vào tháng 8 năm 2016 chuẩn bị cho các trận giao hữu với Ý và Belarus sau khi Alexandre Lacazette và Nabil Fekir không thể tập trung đội tuyển vì chấn thương.[42] Anh có trận đấu đầu tiên trong màu áo đội tuyển Pháp vào ngày 1 tháng 9 năm 2016 khi vào sân thay cho Antoine Griezmann trong chiến thắng 3-1 trước Ý.[43] Ngày 13 tháng 6 năm 2017, Dembélé có bàn thắng đầu tiên cho "Les Bleus" trong trận giao hữu thắng Anh 3-2.[44]

Tháng 5 năm 2018, anh được triệu tập vào danh sách đội tuyển Pháp tham dự World Cup 2018 tại Nga.[45] Dembélé ra sân trong cả ba trận vòng bảng trong đó có hai lần được ra sân từ đầu trước Úc và Đan Mạch nhưng không để lại dấu ấn gì.[46] Trong trận tứ kết với Uruguay, anh chỉ được vào sân từ phút 88.[47] Đây cũng là lần xuất hiện cuối cùng của anh tại giải đấu, nơi đội tuyển Pháp giành chức vô địch thế giới lần thứ hai sau khi vượt qua Croatia ở trận chung kết.