Walaupun diramal akan menyertai skuad Itali ke kejohanan UEFA Euro 2016, Donnarumma tidak dipilih oleh pengurus Antonio Conte bagi mengambil bahagian dalam kejohanan tersebut. Pada 27 Ogos, beliau telah dipanggil oleh skuad senior Itali yang dikendalikan oleh jurulatih Gian Piero Ventura bagi perlawanan persahabatan menentang Perancis pada 1 September dan perlawanan kelayakan Piala Dunia 2018 menentang Israel sekali gus menjadikannya pemain termuda yang dipanggil ke skuad senior sejak tahun 1911. Pada 1 September, Donnarumma melakukan penampilan sulungnya untuk skuad senior Itali ketika menentang Perancis. Donnarumma menggantikan Buffon pada rehat separuh masa dan perlawanan berkesudahan kemenangan berpihak kepada Perancis dengan jaringan 3-1. Beliau menjadi pemain termuda yang beraksi untuk skuad senior Itali dengan usia 17 tahun dan 189 hari. Pada 28 Mac 2017, beliau diletakkan di dalam kesebelasan utama Itali dalam perlawanan menentang Belanda yang menyaksikan Itali menang 2-1.