Von September 2011 bis März 2013 absolvierte Demirbay zunächst zwölf Testspiele für Jugendauswahlmannschaften des türkischen Fußballverbandes, in denen ihm ein Treffer gelang. Da er keinen türkischen Pass besitzt, waren Pflichtspiele nicht möglich. Im März 2015 wurde er von Horst Hrubesch erstmals für die deutsche U21-Auswahl nominiert, musste seine Teilnahme allerdings verletzungsbedingt absagen. Ende Mai 2015 wurde Demirbay in das vorläufige und später in das endgültige Aufgebot für die U21-EM in Tschechien berufen. Dort kam er in keinem der vier Spiele seiner Mannschaft zum Einsatz.