Llorente maakte deel uit van Spanje onder 19 en Spanje onder 21. Hij bereikte met Spanje onder 21 de finale van het EK onder 21 van 2017, die met 1–0 verloren werd van Duitsland onder 21. Llorente maakte op 11 november 2020 zijn debuut voor het Spanje in een oefeninterland tegen Nederland, die eindigde in een 1–1 gelijkspel.