69 alkalommal lépett pályára a francia válogatottban, 2000-ben Európa bajnoki címet nyert, 2001-ben pedig a konföderációs kupa serlegét is elhódította hazájával. Az ezt követő időszakban klubcsapataiban való kevés játéklehetőség miatt nem volt stabil kerettag, de a 2008-as Európa bajnokságra utazó keretben ismét helyet kapott. 2010. június 9-én a Francia labdarúgó-szövetség eltiltotta hazája válogatottjától Raymond Domenech-kel való konfliktusát követően, szerintük ugyanis Anelka megnyilvánulása ütközött az általuk képviselt elvekkel. Két hónappal később nem jelent meg a fegyelmi tárgyaláson, 18 mérkőzéses eltiltást kapott a szövetségtől, mellyel gyakorlatilag véget ért a nemzetközi karrierje. Anelka azt nyilatkozta, hogy nevetségesnek tartja a 18 meccses eltiltást, és ezt követően határozta el, hogy visszavonul a francia színektől.