Parallèlement, il est sélectionné avec l'équipe de France des moins de 19 ans et participe en 2012 au championnat d'Europe de football des moins de 19 ans en Estonie, où la France termine demi-finaliste. L'année suivante, Thibaut Vion se qualifie pour la finale de la coupe du monde des moins de 20 ans en Turquie avec l'équipe de France de cette catégorie. Il marque un but lors du match du premier tour face l'Espagne (défaite 2-1).