El 7 d'octubre de 2015, Mayoral va fer el seu debut per a l'equip sub-21 en un partit de qualificació a l'estranger contra Geòrgia per al Campionat d'Europa de 2017.
Va substituir Samu Castillejo amb una hora jugada, i nou minuts més tard va convertir l'assistència de Saúl Ñíguez en una victòria de retorn de 5 a 2. Va marcar un hat-trick a l'estranger a Irlanda del Nord Sub-21 en el Grup 2 de la següent campanya de qualificació a l'Euro Sub-21.