Anfang November 2015 wurde Donnarumma von Trainer Luigi Di Biagio erstmals für die U21-Nationalmannschaft nominiert und debütierte am 24. März 2016 beim 4:1-Sieg gegen Irland. Im Juni 2017 nahm er mit der Mannschaft an der U21-Europameisterschaft in Polen teil und erreichte mit ihr das Halbfinale.