Thuram speelde bovendien 142 interlands voor het Frans nationaal elftal, waarmee hij recordinternational is. Hij debuteerde op 17 augustus 1994 tegen Tsjechoslowakije (2-2), net als Zinédine Zidane, en met "Les Bleus" werd Thuram zowel wereld- (1998) als Europees kampioen (2000). Zijn enige twee interlanddoelpunten maakte hij in de halve finale van het WK 1998 tegen Kroatië. Dankzij zijn goals won Frankrijk met 2-1 en plaatste het zich voor de finale. Hierin werd met 3-0 gewonnen van Brazilië. Op het EK 2000 werd in de finale met 2-1 gewonnen van Italië. Na het WK 2006, waarop Frankrijk in de finale na penalty’s verloor van Italië, nam Thuram afscheid als international samen met Claude Makélélé en Zinédine Zidane. Later kwam Thuram echter op dat besluit terug, waardoor hij toch international bleef. Naast aan deze drie succesvol verlopen toernooien nam Thuram ook deel aan het WK 2002 en de Europese kampioenschappen van 1996, 2004 en 2008. Op laatstgenoemd toernooi werd Thuram recordhouder wat betreft het aantal gespeelde EK-duels: 17. Door de uitschakeling in de groepsfase kon hij dit aantal niet uitbreiden en werd hij bijgehaald door Edwin van der Sar, die echter ook bleef steken op 15 doordat hij in de kwartfinale met Nederland eruitging tegen Rusland.