Guillaume Joli steht im Aufgebot der französischen Nationalmannschaft, mit der er Europameister 2010 und 2014 sowie Weltmeister 2011 wurde. Im Sommer 2012 nahm er an den Olympischen Spielen in London teil und gewann die Goldmedaille. Er debütierte in der A-Nationalmannschaft am 16. Juni 2006 in einem Länderspiel gegen die spanische Auswahl. Er hat in 118 Länderspielen 346 Tore erzielt.