Mahrez maakte op 31 mei 2014 zijn debuut in het Algerijns voetbalelftal, in een oefeninterland tegen Armenië. Hij speelde 71 minuten, waarna hij vervangen werd door Abdelmoumene Djabou. Bondscoach Vahid Halilhodžić nam hem op 2 juni 2014 op in de selectie voor het WK 2014 in Brazilië, zijn eerste eindtoernooi. Hij speelde hierop alleen mee in het verloren groepsduel tegen België (2–1). Mahrez maakte op 15 oktober 2017 zijn eerste interlanddoelpunt. Hij schoot Algerije toen naar 2–0 in een met 3–0 gewonnen kwalificatiewedstrijd voor het Afrikaans kampioenschap 2015 tegen Malawi. Hij nam in januari 2015 ook met Algerije deel aan dit toernooi, in Equatoriaal-Guinea. In de laatste groepswedstrijd, op 27 januari, maakte hij tegen Senegal het eerste van twee doelpunten (0–2 winst). Hij maakte twee jaar later ook deel uit van de Algerijnse ploeg op het Afrikaans kampioenschap 2017. Mahrez won met Algerije het Afrikaans kampioenschap 2019. Hierop speelde hij alle wedstrijden en scoorde hij in de groepswedstrijd tegen Kenia, in de achtste finale tegen Guinee en in de halve finale tegen Nigeria. Zijn treffer tegen Nigeria was daarbij ook het winnende doelpunt in die wedstrijd (2–1). Daarnaast werd dat doelpunt ook verkozen tot beste doelpunt van het toernooi.