Con la Selección absoluta, debutó proclamándose campeón del mundo en el Mundial de 2006 en Japón. Además ha participado en cuatro campeonatos de Europa, conseguido cuatro medallas: dos de oro, en el de Polonia 2009 y en el de Lituania 2011, una de plata en el de España 2007, y una de bronce en el de Eslovenia 2013 (siendo incluido en el mejor quinteto del campeonato); y ha participado en dos Juegos Olímpicos: los y los de Londres 2012, proclamándose subcampeón olímpico y disputando la final ante Estados Unidos en ambos. En el Eurobasket 2013 asume galones de líder en un equipo con numerosas bajas, como su hermano Pau Gasol, Felipe Reyes o Juan Carlos Navarro y consigue un meritorio bronce. En el Mundial de 2014, siendo anfitriones y grandes favoritos el equipo español cae en cuartos ante Francia. En el Eurobasket 2015, renuncia para descansar durante el verano, después de nueve años seguidos jugado torneos internacionales con España. Los Juegos Olímpicos de 2016 no los disputa después de haber padecido una grave lesión durante todo el año. De nuevo, para el Mundial de 2019 en China, Marc forma parte de la lista de convocados por Sergio Scariolo. Se proclama campeón del mundo en 2019 con la selección española en la final contra Argentina.