Gaëtane Thiney fece il suo esordio nella nazionale francese il 28 febbraio 2007 nella partita vinta per 2-0 sulla Cina. Fece parte della squadra che prese parte al campionato europeo 2009, realizzando una sola rete nella sfida persa per 1-5 contro la Germania. Il 28 ottobre 2009 in occasione della partita casalinga del girone di qualificazione al campionato mondiale 2011 contro l'Estonia realizzò la sua prima tripletta con la maglia della nazionale. Inoltre, realizzò anche una delle reti che consentirono alla Francia di vincere lo spareggio di ammissione al campionato mondiale contro l'Italia. Venne convocata per il campionato mondiale 2011, competizione durante la quale realizzò una doppietta contro il Canada nella fase a gironi. Nel 2012 arrivò anche la convocazione nella squadra che prese parte ai Giochi della XXX Olimpiade, torneo durante il quale realizzò una rete nel corso della fase a gironi. Negli anni successivi fece parte della squadra che partecipò sia ai campionati europei 2013 sia ai campionati mondiali 2015, e nel 2014 realizzò 15 reti sulle 17 partite che disputò, diventando così un punto fermo della nazionale francese.