Sow maakte op 12 augustus 2009 zijn debuut in het Senegalees voetbalelftal, in een oefeninterland tegen Congo-Kinshasa (1–2 winst). Zijn eerste interlanddoelpunt maakte hij op 5 september 2010, tegen wederom Congo-Kinshasa (kwalificatiewedstrijd voor het Afrikaans kampioenschap 2012, eindstand 2–4 winst). Met Senegal nam hij deel aan de Afrikaanse kampioenschappen in 2012 en in 2015. Sow nam deel aan het WK voetbal 2018 in Rusland, maar kwam daar niet in actie. Senegal was ingedeeld in groep H, samen met Polen, Colombia en Japan. Na een 2–1 zege op Polen, dankzij de winnende treffer van M'Baye Niang, speelde de West-Afrikaanse ploeg met 2–2 gelijk tegen Japan, waarna in de slotwedstrijd op 28 juni met 1–0 verloren werd van groepswinnaar Colombia. De selectie van bondscoach Aliou Cissé eindigde in punten en doelpunten exact gelijk met nummer twee Japan, maar moest desondanks toch naar huis: Senegal werd het eerste land dat op basis van de Fair Play-regels werd uitgeschakeld, omdat de ploeg iets meer gele kaarten kreeg dan Japan. Mede daardoor beleefde het Afrikaanse continent de slechtste WK sinds 1982.