Auf internationaler Bühne vertrat Duchene die kanadische Nationalmannschaft bei der U18-Junioren-Weltmeisterschaft 2008 im russischen Kasan. Der Center kam in allen sieben Spielen der Kanadier zum Einsatz und erzielte dabei fünf Tore und drei Torvorlagen. Mit dem Team gewann er nach einem 8:0-Finalsieg gegen die russische Junioren-Auswahl die Goldmedaille. Beim Ivan Hlinka Memorial Tournament wenige Monate später belegte er erneut nach einem Finalsieg gegen die Russen mit seinem Team den ersten Platz. Bei der Eishockey-Weltmeisterschaft 2010 in Deutschland gab der Center sein internationales Debüt als Profi. Ein Medaillenrang wurde jedoch verfehlt, die Mannschaft schied im Viertelfinale gegen die Russen aus dem Turnier aus. Bei der Weltmeisterschaft im Jahr darauf war der Stürmer erneut im Kader der Kanadier, die Mannschaft schied jedoch wie im Vorjahr im Viertelfinale gegen Russland aus. Duchene kam bei allen sieben Spielen zum Einsatz und blieb bei diesem Turnier ohne Scorerpunkt. 2014 wurde er mit der kanadischen Nationalmannschaft Olympiasieger. 2015 und 2016 gewann er jeweils die Goldmedaille bei Weltmeisterschaften.