Tháng 5 năm 2016, Payet có tên trong đội hình tuyển Pháp tham dự Euro 2016. Trong trận đấu mở màn gặp România, Payet đã ghi bàn thắng quyết định giúp đội chủ nhà Pháp đánh bại với tỉ số 2-1. Ở lượt đấu thứ hai bảng A, anh tiếp tục tỏa sáng với bàn thắng quyết định ở phút bù giờ thứ sáu của hiệp 2 giúp những chú gà trống Gaulois vượt qua Albania với tỉ số 2-0. Kết thúc vòng bảng, chủ nhà Pháp dẫn đầu bảng A với 7 điểm. Ở vòng đấu tứ kết, Payet chỉ có một bàn thắng trong chiến thắng 5-2 trước đối thủ yếu Iceland. Đội tuyển Pháp sau đó đã lọt vào trận chung kết Euro 2016 và thua chung cuộc 0-1 trước Bồ Đào Nha.