Trong tháng 11 năm 2013, Mahrez bày tỏ mong muốn của mình muốn thi đấu quốc tế cho đội tuyển bóng đá quốc gia Algérie.[23] Anh được tạm thời gọi vào đội tuyển quốc gia Algérie tại Giải vô địch bóng đá thế giới 2014 tổ chức tại Brasil.[24] Ngày 31 tháng 5 năm 2014, Mahrez có trận đấu ra mắt quốc tế của mình cho những chú cáo sa mạc trong một trận giao hữu tiền World Cup với Armenia, và sau đó anh đã được gọi vào đội hình chính thức cho đội tuyển thi đấu tại World Cup vào ngày 2 tháng 6.[25]

Ngày 15 tháng 10 năm 2014, Mahrez ghi bàn thắng quốc tế đầu tiên sau pha kiến tạo của Islam Slimani trong trận thắng 3-0 của Algérie trước Malawi ở Vòng loại cúp bóng đá châu Phi.[26] Trong tháng 12 năm 2014, anh đã được xác nhận như là một nhân tố quan trọng của đội tuyển Algérie thi đấu trong vòng chung kết Giải vô địch bóng đá châu Phi 2015 diễn ra ở Guinea Xích Đạo.[27] Anh cùng với đội bóng vào đến vòng tứ kết trước khi thua Bờ Biển Ngà (đội sau đó đăng quang), trong đó có đóng góp quan trọng trong chiến thăng 2-0 trước Senegal ở trận đấu cuối của vòng bảng, giúp Algérie vào vòng tứ kết với tư cách nhì bảng C.[28]

Trong trận đấu mở màn của đội tuyển Algérie tại bảng B của cúp bóng đá châu Phi 2017 diễn ra tại Gabon, anh trở thành cầu thủ đầu tiên lập một cú đúp trong trận hòa 2-2 trước đối thủ Zimbabwe. Anh tiếp tục ra sân trong 2 trận còn lại gặp các đối thủ Tunisia và Sénégal. Tuy nhiên, đội tuyển Algérie đã phải dừng bước ở vòng bảng với chỉ vỏn vẹn 2 điểm, xếp thứ ba bảng B.

Tại CAN 2019 diễn ra tại Ai Cập, anh có được 3 bàn thắng trong trận thắng 2-0 trước Kenya ở vòng bảng,thắng 3-0 trước Guinea ở vòng 1/16 và thắng 2-1 trước Nigeria ở bán kết. Đội tuyển Algérie sau đó lọt vào trận chung kết và giành chức vô địch lần thứ hai sau khi vượt qua Sénégal với tỉ số 1-0.