Fati valde att spela för Spanien. Det var hans succé hösten 2019 som fick det spanska fotbollsförbundet till att locka honom över till deras landslag. Spaniens förbundskapten Robert Moreno hade följt Fati under sensommaren 2019. Förbundet jobbade på högvarv för att få honom att välja det spanska landslaget före Guinea-Bissaus. Fati valde Spanien kort innan U17-VM som spelades i Brasilien mellan den 26 oktober och 17 november 2019. Han fick spanskt medborgarskap 20 september men spelade inte VM. Han spelade sin första match för Spanien den 15 oktober, en U21-match mot Montenegro, utan att göra mål. Den 3 september 2020 debuterade Fati för Spaniens seniorlandslag. Han debuterade i Nations League-matchen mot Tyskland genom att ersätta Jesús Navas. I nästa match mot Ukraina fick Spanien en smakstart på matchen då 17-årige Ansu Fati, som i och med starten är yngst någonsin att starta i Nations League, ordnade ett straffspark redan efter ett par minuters spel som Sergio Ramos sedan scorrede på. Han gjorde själv 3-0-målet, som gjorde honom till den yngste målskytten någonsin i det spanska landslaget 17 år och 311 dagar gammal.