À l'été 2018, il fait partie de la liste de Didier Deschamps pour la Coupe du monde en Russie. Lors du premier match de poule contre l'Australie, il débute en tant que titulaire mais est décevant tandis que la France gagne 2-1. Lors de la suite de la compétition, il est logiquement relégué sur le banc, entrant parfois en jeu en fin de match sans toutefois marquer ou effectuer une passe décisive. Toutefois, lors du dernier match de poule face au Danemark, Didier Deschamps fait tourner et Dembélé retrouve sa place de titulaire pour un match décevant et ennuyeux des deux équipes qui finit sous les sifflets du public du Loujniki. Il est champion du monde lorsque la France s'impose face à la Croatie lors de la finale, bien qu'il ne dispute pas la rencontre.