Ihr Länderspieldebüt für die französische Nationalmannschaft gab Dembélé am 26. Mai 2006 gegen die Türkei. Mit der französischen Équipe nahm die Rechtshänderin 2012 an den Olympischen Spielen teil. Bei der WM 2017 gewann sie die Goldmedaille sowie bei der WM 2009 und WM 2011 jeweils die Silbermedaille. Bei der WM 2017 wurde sie zusätzlich in das All-Star-Team gewählt. 2006 errang sie bei der Europameisterschaft die Bronzemedaille. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann sie die Silbermedaille. Bei der Europameisterschaft 2016 gewann sie die Bronzemedaille. Bei der Europameisterschaft 2018 errang sie die Goldmedaille im eigenen Land. Dembélé gewann bei der Europameisterschaft 2020 die Silbermedaille. Im Turnierverlauf erzielte sie insgesamt 14 Treffer.