На чемпионате мира 2015 года провёл 10 матчей, в которых набрал 10 (5+5) очков. На чемпионате мира 2016 года сыграл ещё более результативно, набрав 15 (6+9) очков в 10 матчах и став вторым бомбардиром турнира после Вадима Шипачёва (18 очков). В 2017 году на чемпионате мира в Германии и Франции Артемий сыграл 9 матчей и стал лучшим бомбардиром с 17 очками (4+13), а также лучшим ассистентом (13 передач). Панарин был признан лучшим нападающим турнира и включён в символическую сборную.