Donnarumma on pelannut Italian alle 15-, 16-, 17- ja 21-vuotiaiden maajoukkueissa yhteensä yli 20 ottelua. Hän pelasi alle 17-vuotiaiden EM-kilpailuissa 2015 Italian kaikki ottelut. Italian miesten maajoukkueessa hän pelasi ensimmäisen kerran vuonna 2016 ja on pelannut joukkueessa kaikkiaan 33 maaottelua. Kesän 2021 EM-kilpailuissa hän oli Italian ykkösmaalivahti ja voitti Euroopan-mestaruuden. Loppuottelu Englantia vastaan ratkesi rangaistuspotkukilpailussa, jossa Donnarumma torjui kaksi laukausta ja yksi englantilainen epäonnistui osuessaan tolppaan. Donnarumma valittiin EM-turnauksen parhaaksi pelaajaksi.