Am 4. September 2015 gab Martial sein Debüt in Frankreichs A-Nationalmannschaft, als er beim 1:0-Sieg im Freundschaftsspiel in Portugal in der 74. Minute für Karim Benzema eingewechselt wurde. Mitte Mai 2016 wurde Martial von Nationaltrainer Didier Deschamps in den französischen Kader für die Europameisterschaft im eigenen Land nominiert. Beim im Eröffnungsspiel gegen Rumänien kam Martial zu seinem ersten Pflichtspieleinsatz für Frankreich, als er beim Stand von 1:1 in der Schlussviertelstunde eingewechselt wurde. Nach einem Startelfeinsatz im zweiten Gruppenspiel gegen Albanien wurde er erst wieder im Finale eingesetzt, das mit 0:1 gegen Portugal verloren wurde.