Met Frankrijk –21 nam Diarra in 2006 deel aan het Europees kampioenschap voetbal onder 21 in Portugal, waar de ploeg van bondscoach René Girard in de halve finales werd uitgeschakeld door de latere winnaar Nederland. Op 24 maart 2007 maakte Diarra zijn debuut in het Frans voetbalelftal in een oefeninterland tegen Litouwen (0–1 winst). Tussen 2007 en 2010 was hij vrijwel onafgebroken een vaste waarde in de nationale selectie, hoewel hij ontbrak in de selectie voor het wereldkampioenschap voetbal 2010; na een vriendschappelijke wedstrijd in augustus 2010 volgde een periode van ruim vijf jaar waarin geen beroep op Diarra werd gedaan. In oktober 2015 keerde hij terug onder bondscoach Didier Deschamps. Diarra werd op 12 mei 2016 opgenomen in de selectie voor het Europees kampioenschap in eigen land, maar op 31 mei meldde hij zich af vanwege een knieblessure.