Donnarumma menjadi penjaga gol bagi pasukan bawah-17 Itali dalam Kejohanan Eropah bawah-17 2015.[27] Pada 25 Mac 2016, beliau melakukan penampilan sulungnya untuk pasukan bawah-21 Itali ketika menentang Republik Ireland sekali gus menjadikannya sebagai pemain termuda yang beraksi untuk pasukan tersebut semasa beliau berusia 17 tahun dan 28 hari serta memecah rekod yang dipegang oleh Federico Bonazzoli.

Walaupun diramal akan menyertai skuad Itali ke kejohanan UEFA Euro 2016, Donnarumma tidak dipilih oleh pengurus Antonio Conte bagi mengambil bahagian dalam kejohanan tersebut. Pada 27 Ogos, beliau telah dipanggil oleh skuad senior Itali yang dikendalikan oleh jurulatih Gian Piero Ventura bagi perlawanan persahabatan menentang Perancis pada 1 September dan perlawanan kelayakan Piala Dunia 2018 menentang Israel sekali gus menjadikannya pemain termuda yang dipanggil ke skuad senior sejak tahun 1911.[28] Pada 1 September, Donnarumma melakukan penampilan sulungnya untuk skuad senior Itali ketika menentang Perancis. Donnarumma menggantikan Buffon pada rehat separuh masa dan perlawanan berkesudahan kemenangan berpihak kepada Perancis dengan jaringan 3-1. Beliau menjadi pemain termuda yang beraksi untuk skuad senior Itali dengan usia 17 tahun dan 189 hari.[29][30] Pada 28 Mac 2017, beliau diletakkan di dalam kesebelasan utama Itali dalam perlawanan menentang Belanda yang menyaksikan Itali menang 2-1.[31]

Pada Jun 2017, beliau diletakkan ke dalam skuad bawah-21 Itali bagi menghadapi Kejohanan Eropah bawah-21 oleh pengurus Luigi Di Biagio.[32] Italy tersingkir di peringkat separuh akhir kepada Sepanyol dengan keputusan 3-1 pada 27 Jun.[33]