Machenaud debuttò con la in occasione del tour in Argentina del 2012, affrontando i padroni di casa dei "Pumas" nel secondo "test match" del 23 giugno vinto 49-10, dove segnò una meta. Nello stesso anno scese in campo anche in tutti gli incontri internazionali disputati dai "Bleus" a novembre. Il commissario tecnico Philippe Saint-André lo schierò con regolarità nelle annate 2013 e 2014, nelle quali accumulò quattordici presenze disputando in entrambi gli anni il Sei Nazioni e le tournèe estive. Assente dalla nazionale per un anno e mezzo, fu richiamato dal nuovo selezionatore Guy Novès nelle sue prime convocazioni in occasione del Sei Nazioni 2016. Utilizzato con costanza, giocò tredici partite nei due anni della gestione Novès. Il subentro di Jacques Brunel vide la promozione di Machenaud a mediano di mischia titolare durante il Sei Nazioni 2018, torneo del quale fu il miglior marcatore con cinquanta punti segnati.