Mitrović telah dipanggil buat pertama kali untuk menyertai pasukan kebangsaan Serbia oleh jurulatih Siniša Mihajlović untuk kelayakan Piala Dunia 2014 menentang Belgium.[9] Beliau bermain selama 69 minit dalam perlawanan debutnya dan menerima kad kuning selepas menerjah kaki Axel Witsel, sebelum digantikan oleh Marko Šćepović.[10] Mitrović telah dipanggil oleh jurulatih pasukan bawah-19 Serbia, Ljubinko Drulović untuk dua perlawanan kelayakna kejohanan bawah-19 UEFA 2013.[11] Mitrović merupakan sebahagian daripada skuad Serbia ke Lithuania untuk perlawanan akhir, di mana beliau menjadi pemain utama Serbia yang memenangi kejohanan bawah-19 buat pertama kali dalam sejarah bola sepak Serbia. Beliau telah menjaringkan satu gol dan dua hantaran sepanjang kejohanan itu.[12] Mitrović juga dinamakan sebagai "Pasukan Terbaik Kejohanan", merujuk kepada aksi beliau yang terbaik.[13]

Pada 6 September 2013, Mitrović menjaringkan gol pertamanya untuk pasukan kebangsaan Serbia ketika seri 1–1 menentang Croatia.[14]

Gol antarabangsa