Donnarumma maakte op donderdag 1 september 2016 onder leiding van de pas aangestelde bondscoach Giampiero Ventura zijn debuut in het Italiaans voetbalelftal, in een vriendschappelijke wedstrijd tegen Frankrijk (1-3) in Bari. Hij viel in dat duel in de rust in voor Gianluigi Buffon. Andere debutanten waren Daniele Rugani en Andrea Belotti. Op 11 juli 2021 maakte hij deel uit van het Italiaans voetbalelftal dat in de finale tegen Engeland het Europees kampioenschap won. Hij redde de wedstrijd door na de verlenging bij de stand 1-1 in de strafschoppenserie twee penalty's te stoppen.