Varane maakte zijn debuut in het Frans voetbalelftal op 22 maart 2013 in een wedstrijd in het kwalificatietoernooi voor het wereldkampioenschap voetbal 2014, tegen Georgië (3–1). Hij speelde de volledige wedstrijd. Bondscoach Didier Deschamps nam hem in mei 2014 op in de selectie voor het wereldkampioenschap in Brazilië. In zijn zevende interland op 15 juni 2014 maakte Varane zijn WK-debuut in de eerste wedstrijd (3–0) van de Fransen tegen Honduras zag hij medespeler Karim Benzema driemaal scoren. Ook tegen Zwitserland, Nigeria en Duitsland speelde hij de volledige wedstrijd. Enkel in de derde groepswedstrijd tegen Ecuador, toen Frankrijk al zeker was van de volgende ronde, mocht hij pas na een uur invallen. Op 18 november 2014 mocht hij voor het eerst de aanvoerdersband dragen in een oefeninterland tegen Zweden. Na 84 minuten maakte hij met een kopbal het enige doelpunt van de wedstrijd in het Stade Vélodrome in Marseille. Op 12 mei 2016 werd Varane opgenomen in de selectie voor het Europees kampioenschap in eigen land, maar op 24 mei moest hij geblesseerd afhaken en werd hij zo vervangen door Adil Rami.