Fati hätte für den guinea-bissauischen, den spanischen und den portugiesischen Fußballverband spielen können, da Guinea-Bissau eine ehemalige Kolonie von Portugal ist und dort Geborene die portugiesische Staatsangehörigkeit annehmen können. Am 20. September 2019 wurde Fati im Eilverfahren in Spanien eingebürgert, da der spanische Verband plante, ihn in den Kader der U17-Nationalmannschaft für die Ende Oktober beginnende U17-Weltmeisterschaft 2019 in Brasilien zu berufen. Der FC Barcelona war jedoch gegen eine WM-Teilnahme Fatis, da dieser bis zu 7 Pflichtspiele – unter anderem den Clásico gegen Real Madrid – für den Verein verpasst hätte. Anfang Oktober wurde entschieden, dass er nicht für den WM-Kader berücksichtigt werde, dafür aber in der nächsten Länderspielpause im November in eine höhere Altersklasse berufen werden solle. Bereits wenige Tage später wurde Fati von der FIFA die Spielgenehmigung erteilt, woraufhin ihn Luis de la Fuente für das EM-Qualifikationsspiel der U21-Nationalmannschaft gegen Montenegro anstelle des verletzten Carles Pérez nachnominierte. Beim 2:0-Auswärtssieg wurde Fati in der Schlussphase eingewechselt, womit er im Alter von 16 Jahren und 350 Tagen hinter Bojan Krkić (2007 mit 16 Jahren und 282 Tagen) zum zweitjüngsten spanischen U21-Nationalspieler wurde. Im November 2019 folgte ein weiterer U21-Einsatz.