Demirbay, genç millî takımlarda Türkiye forması giymeyi tercih etti. U-17 takımı ile birlikte Hırvatistan Kupası'nı kazandılar. 2013'te Türkiye ümit millî futbol takımı forması giydi. 2015'te ise Almanya ümit millî futbol takımı teknik direktörü Horst Hrubesch, Çek Cumhuriyeti'nde düzenlenen 2015 UEFA Avrupa 21 Yaş Altı Futbol Şampiyonası kadrosuna Demirbay'ı da dahil etti. Ancak futbolcu takımın oynadığı dört maçta da yedek kulübesindeydi.