Frans bondscoach Laurent Blanc riep Payet voor het eerst op voor de EK-kwalificatiewedstrijden tegen Roemenië en Luxemburg. Hij debuteerde op 9 oktober 2011, tegen Roemenië, als invaller voor Karim Benzema. Hij gaf de assist bij de 2–0 van Yoann Gourcuff. Drie dagen later viel hij het laatste halfuur in tegen Luxemburg en gaf hij opnieuw een assist aan Gourcuff. Op 17 november 2011 viel hij in een oefeninterland tegen Engeland in voor Florent Malouda. Sinds medio 2013 is Payet een vaste waarde in de selectie van Frankrijk, hoewel voor het WK 2014 geen beroep op hem werd gedaan. Op 12 mei 2016 werd Payet opgenomen in de selectie voor het Europees kampioenschap in eigen land. In de openingswedstrijd tegen Roemenië werd hij de man van de wedstrijd door een assist te geven op Olivier Giroud. Later maakte hij in de 89ste minuut het winnende doelpunt voor Frankrijk (2–1). Deze goal schoot hij met zijn linker in de kruising. Payet ontbrak in de 23-koppige selectie van "Les Bleus" voor het WK voetbal 2018 in Rusland, net als Alexandre Lacazette (Arsenal), Anthony Martial (Manchester United), Karim Benzema (Real Madrid) en Lucas Digne (FC Barcelona). Payet raakte geblesseerd in de UEFA Europa League-finale tegen Atlético Madrid (3-0), op woensdag 16 mei. "Hij was een serieuze kandidaat voor mijn WK-selectie", liet Deschamps weten. "Maar het herstel voor zo'n spierblessure vergt meestal drie weken. Bovendien bestaat het gevaar dat je daarna opnieuw geblesseerd raakt. Uiterlijk 4 juni moet ik mijn definitieve WK-selectie bij de FIFA indienen en dat is voor hem te vroeg."