Nachdem Koulibaly zuvor für französische Nachwuchsauswahlteams gespielt hatte, entschied er sich 2015 erstmals für Senegal zu spielen. Sein Debüt gab er am 5. September 2015 in der Qualifikations zum Afrika-Cup 2017 gegen Namibia (Endstand 2:0). Bei der Afrikameisterschaft 2017 in Gabun kam Koulibaly mit seinem Team bis ins Viertelfinale, als man letztendlich nach Elfmeterschießen gegen Kamerun aus dem Turnier ausschied.