Mais Koulibaly choisira finalement le Sénégal. Le , il répond à la convocation du sélectionneur Aliou Cissé pour le match contre la Namibie comptant pour les éliminatoires de la CAN 2017. Il fait ses grands débuts sous le maillot des Lions de la Teranga le , débutant la rencontre comme titulaire. Son équipe s'impose par deux buts à zéro ce jour-là. Lors du match amical suivant contre l'Afrique du Sud, il rentre à la place de Kara Mbodj.