Phạm Xuân Mạnh là thành viên của đội tuyển U-23 Việt Nam tham dự giải vô địch bóng đá U-23 châu Á 2018 tại Trung Quốc. Dù được triệu tập bổ sung nhưng anh đã cho thấy khả năng và chứng minh mình là sự thay thế hoàn hảo trong thời gian Đoàn Văn Hậu gặp chấn thương. Tại giải đấu này, cầu thủ người Nghệ An ra sân 5 trận, trong đó có 3 lần đá chính.

Ngày 27 tháng 3 năm 2018, Xuân Mạnh có lần đầu tiên ra sân cho đội tuyển quốc gia Việt Nam khi anh chơi trọn vẹn trận hoà 1-1 với Jordan tại vòng loại Asian Cup 2019.