Thauvin kwam uit voor diverse Franse nationale jeugdelftallen. Hij won in 2013 met Frankrijk -20 het WK –20 in Turkije. Hij debuteerde op 2 juni 2017 in het Frans voetbalelftal. Hij viel die dag in de 80e minuut in voor Antoine Griezmann tijdens een met 5–0 gewonnen oefeninterland thuis tegen Paraguay. Thauvin won een jaar later met Frankrijk het WK 2018. Hij kwam tijdens dat toernooi zelf één minuut in actie, als invaller voor Kylian Mbappé tijdens de met 4–3 gewonnen achtste finale tegen Argentinië.