Deși încă nu debutase la naționala de seniori, în mai 2016 a fost inclus de antrenorul Didier Deschamps în lotul naționalei Franței pentru Euro 2016, în locul accidentatului Jérémy Mathieu, fiindu-i atribuit tricoul cu numărul 22. Debutul său internațional are loc pe 3 iulie împotriva Islandei pe Stade de France, în sferturile de finală ale Campionatului european, fiind titularizat în locul Adil Rami, care era suspendat. Umtiti a jucat tot meciul, care s-a încheiat cu o victorie cu 5-2 pentru Franța. Astfel, a devenit doar al doilea jucător din Franța (după Gabriel De Michèle în Cupa Mondială din 1966) care a debutat într-un meci de fazele finale ale unei competiții internaționale și, mai mult de atât, a avut o precizie de 100% în cele 77 de pase pe care le-a dat în timpul meciului. Prin prestația excelentă, Samuel și-a asigurat locul de titular în semi-finala împotriva Germaniei, pe care au învins-o cu scorul de 0-2. Pe 10 iulie, Samuel a fost titular în finala competiției, disputată împotriva Portugaliei, având o remarcabilă prestație în apărare alături de Laurent Koscielny. Franța a pierdut însă cu 0-1 finala, în prelungiri, după golul reușit de Éder în minutul 109.