Lilian Thuram spielte seit 1994 in der französischen Nationalmannschaft, zuerst als rechter Verteidiger, dann als Innenverteidiger und Abwehrchef. Sein erstes Turnier war die Fußball-Europameisterschaft 1996. Sein größter Erfolg war der Gewinn der Fußball-Weltmeisterschaft 1998 im eigenen Land. Mit seinen einzigen beiden Länderspieltoren im Halbfinale gegen Kroatien hatte er maßgeblichen Anteil am Erfolg von Frankreich. Im Jahr 2000 wurde er bei der EM in Belgien und den Niederlanden mit dem französischen Nationalteam Fußballeuropameister. Thuram nahm auch an der erfolglos verlaufenen Fußball-Weltmeisterschaft 2002 teil und stand ebenso im Kader zur Fußball-Europameisterschaft 2004 in Portugal, bei der er sein 100. Länderspiel absolvierte. Bei der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 erreichte Lilian Thuram mit seinem Land das Finale und wurde ins All-Star-Team gewählt. Weiterhin gehörte er bei der EM-Endrunde 2008 zum französischen Aufgebot, wo er die Rolle des Kapitäns einnahm, aber Frankreich nicht über die Gruppenphase hinauskam. Nach diesem Vorrunden-Aus kündigte er seinen Rücktritt aus der Nationalmannschaft an.