Cyril Dumoulin steht im Aufgebot der französischen Nationalmannschaft; er debütierte in der A-Nationalmannschaft am 21. Juni 2009 in einem Länderspiel gegen die lettische Auswahl. Mit dem französischen Nationalteam gewann er die Europameisterschaft 2014 sowie die Weltmeisterschaft 2015. Jeweils die Bronzemedaille errang er bei der Europameisterschaft 2018 und der Weltmeisterschaft 2019. Bislang absolvierte er 91 Länderspiele für Frankreich.