Im Jahr 2013 absolvierte Karlo Bartolec fünf Einsätze für die kroatische U19-Nationalmannschaft, drei davon in der Qualifikation für die U-19-Fußball-Europameisterschaft 2014 in Ungarn. Von 2014 bis 2016 spielte er für die U21-Nationalmannschaft, für die er ebenfalls fünf Partien absolvierte, darunter drei in der Qualifikation für die U-21-Fußball-Europameisterschaft 2017 in Polen. Am 15. Oktober 2018 debütierte Bartolec in der A-Nationalmannschaft der Kroaten, als er beim 2:1-Sieg im Freundschaftsspiel in Rijeka gegen Jordanien in der Anfangself stand.