Senegalin maajoukkuetta Diouf on edustanut 69 kertaa, tehden 21 maalia. Debyyttinsä maajoukkueessa hän teki huhtikuussa 2000 ottelussa Beninia vastaan. Hän on edustanut maataan vuoden 2002 MM-kisoissa, jossa Senegal selvisi puolivälieriin asti. Diouf valittiin turnauksen tähdistökentälliseen. Vuonna 2004 Pelé valitsi hänet 125 parhaimman elossa olevan jalkapalloilijan joukkoon. Listausta on tosin kritisoitu.