Diouf debuteerde in april 2000 tegen Benin in het nationale elftal van Senegal. Hij maakte deel uit van het succesvolle Senegalese elftal van 2002, waarin de finale van de African Cup of Nations en de kwartfinale van het WK werden gehaald. Op de Africa Cup was Kameroen uiteindelijk na strafschoppen te sterk, op het WK werd Senegal uitgeschakeld door de latere nummer drie Turkije. Diouf wist op het WK niet te scoren, maar zijn prestaties leverden hem wel een transfer naar Liverpool F.C. op.