Martial debütierte am 21. September 2010 beim 3:0-Sieg gegen Belgien für die französische U16-Auswahl. Dabei wurde er nach 62 Minuten eingewechselt und erzielte zwei Minuten später das Tor zum 1:0. Für die U17 des französischen Fußballverbands kam er am 27. September 2011 beim 0:0 gegen die Ukraine zu seinem ersten Einsatz. Im Mai 2012 nahm Martial mit der Mannschaft an der U17-Europameisterschaft in Slowenien teil, bei der das Team bereits in der Vorrunde ausschied. Für die U18-Nationalmannschaft bestritt er vier Spiele und erzielte bei seinem ersten Einsatz, einem 4:1-Sieg gegen Österreich, seinen ersten von insgesamt drei Treffern. Im Sommer 2013 nahm Martial mit der U19 an der Europameisterschaft in Litauen teil. Dabei kam er in allen fünf Spielen der Franzosen zum Einsatz und musste sich im Finale der serbischen Mannschaft mit 0:1 geschlagen geben. Am 13. August 2013 war Martial beim 0:0 gegen Deutschland erstmals für die U21-Auswahl im Einsatz. In seinem zweiten Spiel erzielte er beim 5:0-Sieg gegen Kasachstan sein erstes Tor mit dem 3:0 in der 19. Spielminute. Insgesamt kam er für die U21 auf vier Tore in zwölf Einsätzen.