Αν και ήταν φαβορί για να παρακολουθήσει το Euro 2016, ο Ντοναρούμα δεν επιλέχθηκε από τον Αντόνιο Κόντε για την αποστολή της εθνικής για το τουρνουά. Στις 27 Αυγούστου, κλήθηκε για πρώτη φορά στην εθνική ομάδα από τον Τζιάν Πιέρο Βεντούρα για το φιλικό αγώνα εναντίον τηςΓαλλίας την 1η Σεπτεμβρίου 2016 και στο, προκριματικό αγώνα τουΠαγκοσμίου Κυπέλλου 2018, στις 5 Σεπτεμβρίου 2016 εναντίον του Ισραήλ και έτσι έγινε ο νεότερος παίκτης (σε ηλικία 17 ετών και έξι μηνών), που κλήθηκε στην εθνική ομάδα από το 1911. Στις 1 Σεπτεμβρίου, στον αγώνα εναντίον της Γαλλίας, ο Ντοναρούμα έκανε το ντεμπούτο του, αντικαθιστώντας τον Μπουφόν στο ημίχρονο, στην ενδεχόμενη 3-1 αρχική ήττα. Έτσι έγινε ο νεότερος τερματοφύλακας που έπαιξε για την Εθνική Ιταλίας, σε ηλικία 17 ετών και 189 μέρες. Στις 28 Μαρτίου 2017, έκανε την πρώτη του εμφάνιση ως βασικός στη εκτός έδρας νίκη μς 2-1, εναντίον της ολλανδίας, ως ο νεότερος βασικός τερματοφύλακας της Ιταλίας, σε ηλικία 18 ετών και 31 ημερών.