Tolisso est retenu dans les 23 Français pour la Coupe du monde 2018 par Deschamps. Titularisé pour la sixième fois en sept capes, le 28 mai en match de préparation contre l'Irlande (2-0) à la place de Paul Pogba, il se fait remarquer par la qualité de ses passes et son efficacité à la récupération du ballon. Ses performances lui permettent ainsi d'être titularisé lors du premier match de la compétition face à l'Australie. Sa prestation est moyenne et il perd sa place les matchs suivants au profit de Blaise Matuidi. Il profite de la suspension de ce dernier pour être titulaire lors du quart de finale face à l'Uruguay, pendant lequel il réalise une passe décisive à Antoine Griezmann et bénéficie de la faute qui amène le premier but de l'Équipe de France, par Varane. Il rentre en cours de jeu lors de la demi finale face à la Belgique, ainsi que lors de la finale face à la Croatie. Les "Bleus" battent les Croates (4-2) et Tolisso devient champion du monde.