Op 30 maart 2005 debuteerde Pellè als Italiaans jeugdinternational in een wedstrijd tegen Zwitserland (1–3 verlies) dat in het kader van het Vierlandentoernooi onder 20 gespeeld werd in het Romeo Gallistadion in Imola. In zijn tweede interland tegen Oostenrijk maakte Pellè zijn eerste doelpunt, waarmee hij de eindstand op 1–1 bepaalde. Italië eindigde dat toernooi op de derde plaats. Pellè werd vervolgens opgenomen in de Italiaanse selectie voor het wereldkampioenschap onder 20, dat in 2005 gespeeld werd in Nederland. Pellè scoorde dit toernooi tweemaal tegen Canada –20 en eenmaal in de achtste finale tegen de Verenigde Staten –20. Nog één doelpunt van Pellè kon niet verhinderen dat Italië in de kwartfinale na strafschoppen werd uitgeschakeld door Marokko. Op de ranglijst van topscorers tijdens het jeugd-WK eindigde Pellè op een gedeelde vierde plaats met vier doelpunten in vijf wedstrijden, twee doelpunten minder dan topscorer Lionel Messi, die zes keer scoorde, waarvan twee (beide vanaf de penaltystip) in de finale tegen Nigeria.