A török származású, és az utánpótlás korosztályokban Törökországot képviselő Demirbay 2017 májusában a török felnőtt válogatottba is meghívót kapott, amit ő elutasított. 2017 júniusában Joachim Löw meghívta a német válogatottba, majd bekerült a 2017-es konföderációs kupára utazó keretbe is. A nemzeti csapatban végül június 6-án, Dánia ellen mutatkozott be, amikor Leon Goretzka cseréjeként állt be a 77. percben.