S francouzskou reprezentací do 20 let se v roce 2013 stal mistrem světa a vstřelil na turnaji tři branky. V březnu 2017 debutoval v seniorské reprezentaci. Byl nominován na mistrovství světa ve fotbale 2018, které Francouzi vyhráli. Thauvin nastoupil pouze v osmifinálovém utkání proti Argentině, kde střídal v 89. minutě Kyliana Mbappého. Jako všichni členové mistrovského týmu převzal po šampionátu Řád čestné legie.