Bei der Junioren-EM 2010 in Bratislava wurde Mahé "Most Valuable Player" und zusammen mit seinem späteren Mitspieler bei Veszprém Gašper Marguč bester Torschütze des Turniers (beide 49 Tore). Im Oktober 2010 wurde Mahé zum ersten Mal in das Aufgebot der französischen Nationalmannschaft berufen. Er stand im erweiterten Aufgebot zur Europameisterschaft 2014. Bei der Weltmeisterschaft 2015 wurde er Weltmeister, wobei er im Finale ein Tor erzielte. Dadurch wurden Kentin und Pascal Mahé das erste Vater-Sohn-Duo, das mindestens je einen Handball-Weltmeistertitel gewonnen hat. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann er die Silbermedaille. 2017 gewann er zum zweiten Mal den WM-Titel. Bei der WM 2019 gewann er die Bronzemedaille, bei der WM 2021 unterlag er im Spiel um Platz 3 gegen Spanien. Mit Frankreich gewann er bei den Olympischen Spielen in Tokio die Goldmedaille.