Chociaż przewidywano jego udział na Mistrzostwach Europy UEFA w 2016, Donnarumma nie wywalczył sobie miejsca w składzie u trenera Antonio Conte i nie pojechał na turniej. 27 sierpnia został powołany do dorosłej reprezentacji Włoch przez Gian Piero Venturę na mecz z Francją 1 września i mecz eliminacyjny do Mistrzostw Świata 2018 w dniu 5 września przeciwko Izraelowi, stając się najmłodszym piłkarzem powołanym do dorosłej kadry od 1911 roku. 1 września zadebiutował w meczu przeciwko Francji, zastępując w przerwie Buffona. 28 marca 2017 zadebiutował po raz pierwszy w podstawowym składzie w meczu z Holandią. Został najmłodszym bramkarzem Włoch, mając 18 lat i 31 dni.