Com que Koulibaly és fill de pares francesos i senegalesos, podia representar els dos països a nivell de seleccions, començant a jugar amb la selecció francesa sub-20. El 2015, no obstant, va debutar amb la selecció absoluta del Senegal, participant més tard a la Copa d'Àfrica de 2017. El 2018 també defensaria la samarreta del Senegal a la Copa del Món de Rússia.