Il 7 ottobre 2015, Mayoral ha fatto il suo debutto per la squadra under-21 in una partita di qualificazione in trasferta contro la Georgia per il Campionato Europeo 2017
; ha sostituito Samu Castillejo con un'ora di gioco, e nove minuti dopo ha convertito l'assist di Saúl Ñíguez in una vittoria di ritorno di 5 a 2. Ha segnato un hat-trick in trasferta contro l'Irlanda del Nord U21 nel Gruppo 2 della seguente campagna di qualificazione U21 Euro.