In 2008 debuteerde Doumbia voor het Ivoriaans voetbalelftal bij de Kirin Cup. Hij maakte deel uit van de selectie voor het wereldkampioenschap voetbal in 2010 en won in 2015 de Afrika Cup met zijn landgenoten. In de finale van het laatstgenoemde toernooi benutte hij een van de strafschoppen in de beslissende penaltyreeks. In 2012 werd hij met Ivoorkust tweede op de Afrika Cup.