Pada 27 Ogos 2016, Pavoletti telah dipanggil untuk menyertai skuad senior Itali oleh pengurus Gian Piero Ventura untuk menghadapi perlawanan persahabatan menentang Perancis dan perlawanan kelayakan Piala Dunia 2018 menentang Israel.[24]

Pada 15 Mac 2019, Pavoletti dipanggil untuk menyumbangkan khidmat antarabangsanya oleh jurulatih Roberto Mancini untuk menghadapi perlawanan kelayakan UEFA Euro 2020 menentang Finland dan Liechtenstein.[25] Pada 26 Mac, Pavoletti melakukan penampilan sulungnya untuk Itali dengan menjaringkan gol terakhir pasukannya ketika menundukkan Liechtenstein 6-0.[26]