In der französischen Nationalmannschaft debütierte Grébille, der die Rückennummer 15 trägt, am 1. November 2012 gegen Litauen. Die Europameisterschaft 2014 war sein erstes internationales Turnier, bei dem er acht Tore erzielte und Europameister wurde. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann er die Silbermedaille. Bei der WM 2019 gewann er die Bronzemedaille. Bisher bestritt er 74 Länderspiele, in denen er 118 Tore erzielte. (Stand: 12. Januar 2020)