Dembélé merupakan sebahagian daripada skuad bawah-19 Perancis yang mara ke peringkat separuh akhir Kejohanan Eropah 2015. Beliau telah menjaringkan gol pada aksi peringkat kumpulan menentang Ukraine dan tuan rumah, Greece.[44] Beliau melakukan penampilan sulungnya untuk pasukan bawah-21 Perancis pada Oktober 2016 ketika menentang Georgia. Beliau beraksi sebagai pemain gantian separuh masa permainan sebelum menjaringkan salah satu jaringan gol Perancis untuk membantu pasukannya mencapai kemenangan 5-1.[45] Pada 13 November 2017, Dembélé menjaringkan hatrik selama sebelas minit semasa mewakili pasukan bawah-21 Perancis ketika meraih kemenangan 3-1 ke atas Slovenia. Jaringan hatrik beliau ini merupakan jaringan terpantas yang dijaringkan oleh mana-mana pemain Perancis dalam jangka masa 15 tahun.[46]