Picamoles va debutar amb la selecció francesa l'any 2008, va jugar en els Torneigs de les Sis Nacions de 2008 i 2009. Tot i el gran Torneig de les Sis Nacions 2010 de les les Blues, Picamoles no va arribar a debutar en cap del 5 partits del torneig d'aquell i no reaperexeria fins a l'edició de 2013. L'11 de maig de 2011, al final d'una temporada on va tenir un paper destacat amb el Stade toulousain, va ser seleccionat per Marc Lièvremont en la llista dels 30 per participar en la Copa Mundial de Rugbi 2011 a Nova Zelanda. Va jugar els partits contra Canadà, Nova Zelanda i Anglaterra. L'11 de gener de 2013, Philippe Saint-André el va seleccionar entre els 33 jugadors del 2013. Va ser un dels més destacats del torneig, malgrat la pobra actuació de França. Com a jugador, es pot considerar un digne successor, en la posició de número 8, de Imanol Harinordoquy. En aquell torneig, va fer avançar la pilota 70 vegades, més que qualsevol altre jugador, i va fer més metres (351) que cap altre davanter, liderant el nombre de davanters contraris batuts (15). Va aconseguir dos assaigs, un el  3 de febrer quan França va ser derrotada per Itàlia 23-18; i el segon, el 9 de març, en l'empat enfront d'Irlanda 13-13. Va ser triat home del partit contra Irlanda, gràcies al seu assaig marcat en el minut 74. Alguns el van considerar com el millor jugador francès del Torneig. El seu treball des de la base de la melée va ser excepcional, i també en el joc lliure, de manera que si hagués tingut més col·laboració pels seus companys, les seves assistències haguessin valgut molts assaigs.