Впервые за сборную Франции Антуан сыграл 5 марта 2014 года против сборной Нидерландов (2:0), выйдя на поле с первых минут и был заменён на 68 минуте. 1 мая 2014 года в товарищеской игре против сборной Парагвая (1:1) забил свой первый гол за национальную команду. Отметился дублем в разгромном матче против сборной Ямайки 8:0. На чемпионате мира 2014 года провёл 5 матчей. Забил один гол в 1/8 финала в матче со сборной Нигерии — после подачи углового на 90 минуте матча мяч принял Карим Бензема, отдал длинную передачу на Гризманна, который пяткой красиво закатил мяч в ворота мимо вратаря и одного из защитников, сам матч закончился со счётом 2:0 в пользу французов. В четвертьфинале сборная Франции со счётом 0:1 проиграла будущим победителям чемпионата — Германии. Выступая в составе сборной на чемпионате Европы 2016, стал лучшим игроком и бомбардиром турнира. Забив шесть голов в одном турнире, Гризманн вышел на второе место по этому показателю после Мишеля Платини. На чемпионате мира 2018 года Гризманн был системообразующим игроком сборной Франции, ставшей в итоге победительницей турнира. Принял участие во всех матчах команды, забив при этом четыре гола, в том числе в финальном матче с хорватской сборной. По итогам турнира Гризманн получил «Бронзовый мяч».