Llorente odehrál svůj první zápas ve španělské reprezentaci do 21 let 10. října 2016, kdy v Pontevedře odehrál celé utkání proti Estonsku v rámci kvalifikace na Mistrovství Evropy do 21 let 2017. V listopadu 2020 byl poprvé povolán do seniorské reprezentace na přátelské utkání proti Nizozemsku a na zápas Ligy národů UEFA proti Švýcarsku a Německu. Debutoval v utkání proti Holandsku, když vystřídal Sergia Canalese na posledních 18 minut remízy 1:1 v Amsterdamu.