Olmo foi convocado pela primeira vez para a Seleção Espanhola em 8 de novembro de 2019, para as Eliminatórias da Euro 2020 contra Malta e Romênia, depois que a Espanha já havia se classificado para o torneio. Ele estreou em 15 de novembro de 2019 como substituto de Álvaro Morata aos 66 minutos e marcou três minutos depois, na vitória em casa por 7-0 contra Malta.