Internationellt slog Donnarumma rekordet som den yngsta spelaren i Italiens U21-lag någonsin, då han debuterade vid en ålder på 17 år och 28 dagar i mars 2016. Sex månader senare gjorde han sin senior internationella debut och blev den yngsta målvakten som någonsin dykt upp för Italien, då 17 år och 189 dagar. Donnarumma representerade Italien vid Europamästerskapet 2020 då landet gick och vann hela turneringen. Donnarumma utsågs även "Player of the Tournament".