Op 20 september 2019 verkreeg Fati de Spaanse nationaliteit. Spanje wilde Fati aanvankelijk al meteen selecteren voor het WK onder 17 in Brazilië, maar uiteindelijk werd beslist dat Fati eigenlijk beter naar een hogere leeftijdscategorie zou doorschuiven. Fati werd in augustus 2020 opgenomen in de Spaanse selectie voor de UEFA Nations League. Hij debuteerde op 3 september 2020 tegen Duitsland als invaller voor Jesús Navas. In zijn tweede interland, op 6 september 2020 tegen Oekraïne, maakte hij zijn eerste doelpunt voor "La Furía Roja". Hij werd hiermee de jongste doelpuntenmaker voor Spanje ooit met een leeftijd van 17 jaar en 311 dagen en verbrak zo het 95 jaar oude record van Juan Errazquin (18 jaar en 344 dagen in 1925).