Pawljutschenko durchlief die russischen Jugend- und Juniorenauswahlen, er wurde erstmals 2003 in die A-Auswahl berufen, als er gleichzeitig noch im Kader der U-21-Auswahl stand, überzeugte aber bei seinem ersten Einsatz im August 2003 gegen Israel nicht, so dass er erst in den letzten drei Qualifikationsspielen zur Weltmeisterschaft 2006 im Herbst 2005 zum Einsatz – und gegen Luxemburg auch zu seinem ersten Treffer im Nationaldress – kam. In der folgenden Qualifikation zur Europameisterschaft 2008 zeigte er wechselhafte Leistungen, erzielte aber auch die beiden entscheidenden Treffer gegen England, die letztlich die Qualifikation bedeuteten und wurde deshalb auch für den Kader Russlands für die EM-Endrunde nominiert. Er erreichte dort das Halbfinale und wurde mit drei erzielten Turniertreffern ins UEFA-Allstar-Team gewählt.