Az Atlético Madrid 33 éves klasszisa 2014. március 5-én, a hollandok elleni felkészülési mérkőzésen debütált a francia válogatottban. Sorozatban négy mérkőzésen kapott lehetőséget, ezeken három gólt szerzett, és kiharcolta, hogy elutazhasson a brazíliai világbajnokságra a csapattal, amelyen a németekkel szemben maradt alul a negyeddöntőben.
Négy évvel később, Oroszországban az összes mérkőzésen kezdőként kapott lehetőséget a francia győzelemmel zárult világbajnokságon, amelyen négy góllal és négy gólpasszal járult hozzá a sikerhez. Ugyancsak alapembere volt a 2022-es, katari vb-n ezüstérmes alakulatnak.
A 2016-os, a 2021-es és a 2024-es Európa-bajnokságon is segítette a válogatottat, egy-egy alkalommal a döntőig, az elődöntőig és a nyolcaddöntőig menetelt vele.
Antoine Griezmann 137 mérkőzéssel a harmadik a válogatottsági mérkőzéseket számláló örökrangsorban, Hugo Lloris (145) és Lilian Thuram (142) mögött, Olivier Giroud-val holtversenyben. Ezeken az összecsapásokon 44 gólt szerzett és 38 gólpasszt adott.
A támadó hétfő délelőtt a hivatalos Instagram-oldalán jelentette be: nem lép többet pályára a nemzeti tizenegyben. Azt írta: „Szép emlékekkel teli szívvel lezárom életemnek ezt a fejezetét. Köszönöm a csodálatos kalandot, hamarosan találkozunk.”