Siraba Dembélé 2006. május 26-án debütált a francia női kézilabda-válogatottban egy Törökország elleni mérkőzésen. Máris meghívást kapott a 2006-os Eb francia keretébe, ahol végül bronzérmet szerzett a válogatott. A 2008. évi pekingi olimpia francia keretébe már nem kapott meghívást. Tagja volt a 2009-es és a 2011-es vb-n ezüstérmet szerző francia keretnek. Ott volt a 2012. évi nyári olimpián is, ahol az ötödik helyet szerezte meg a válogatott. Tagja volt még a 2013-as női kézilabda-világbajnokságon hatodik helyen végző válogatottnak is. Játszott a 2014-es Eb-n és a 2015-ös vb-n is. Végül elérkezett Dembélé legnagyobb sikere a válogatottban: a 2016. évi nyári olimpiai játékokon ezüstérmet szerzett a válogatottal az Oroszország elleni döntőn. Később, a 2016-os Eb-n bronzérmet szerzett a válogatott. A 2017-es világbajnokságon győzedelmeskedő francia válogatott tagja volt, és az All-star csapatba is bekerült. A 2021-es olimpiáról sérülése miatt maradt le.