Gueye maakte in 2011 zijn debuut in het Senegalees voetbalelftal. Zijn eerste grote eindtoernooi was het Afrikaans kampioenschap 2015. Nadat hij ook voor Senegal uitkwam op het Afrikaans kampioenschap 2017, vertegenwoordigde hij zijn vaderland een jaar later op het WK voetbal 2018 in Rusland. Na een 2–1 zege op Polen, speelde de West-Afrikaanse ploeg met 2–2 gelijk tegen Japan, waarna in de slotwedstrijd met 1–0 verloren werd van groepswinnaar Colombia. De selectie van bondscoach Aliou Cissé eindigde in punten en doelpunten exact gelijk met nummer twee Japan, maar moest desondanks toch naar huis: Senegal werd het eerste land dat op basis van de Fair Play-regels werd uitgeschakeld, omdat de ploeg iets meer gele kaarten kreeg dan Japan. Mede daardoor beleefde het Afrikaanse continent de slechtste WK sinds 1982. Gueye speelde in alle drie de WK-duels mee. Hij maakte op het Afrikaans kampioenschap 2019 opnieuw deel uit van de Senegalese ploeg, waarmee hij deze keer tot de finale kwam.