Diouf memperkuat timnas , sejak tahun 2000. Ia termasuk dalam skuat Senegal di Piala Dunia FIFA 2002. Pada tahun 2004, ia terpilih dalam daftar FIFA 100. Pada bulan Oktober 2007, ia memutuskan untuk pensiun dari timnas Senegal. Namun, sebulan kemudian, Diouf kembali dipanggil untuk memperkuat timnas Senegal. Pada 3 April 2009, ia kembali mengumumkan pensiun dari timnas Senegal.