In der französischen Nationalmannschaft debütierte Luka Karabatic am 8. Juni 2011 in der Partie gegen Argentinien. 2014 wurde der Deckungsspezialist in Dänemark Europameister. Bei der Weltmeisterschaft 2015 in Katar sowie bei der Weltmeisterschaft 2017 in Frankreich wurde er Weltmeister. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann er die Silbermedaille. Bei der WM 2019 gewann er die Bronzemedaille. Mit der französischen Auswahl gewann er bei den Olympischen Spielen in Tokio die Goldmedaille und ist damit einer der wenigen Nationalspieler, die jeden wichtigen Titel mindestens einmal gewinnen konnten. All diese Erfolge errang er mit seinem älteren Bruder Nikola.