První soutěž Gasola se španělským národním basketbalovým týmem seniorů byla v roce 2001 na turnaji EuroBasket, poté, co předtím vyhrál mistrovství Evropy FIBA Under-18 v roce 1998 a mistrovství světa FIBA Under-19 v roce 1999 se španělskými juniorskými týmy. Gasol, který byl proti své vůli považován za vůdce týmu, získal v soutěži bronzovou medaili. Gasol od té doby měl s španělským týmem mnoho úspěchů, vyhrál mistrovství světa FIBA v roce 2006 a turnaje EuroBasket v letech 2009 a 2011, byl vybrán jako nejcennější hráč v prvních dvou; také vyhrál stříbrné medaile na EuroBasket v letech 2003 a 2007 a na turnaji EuroBasket v roce 2008.
a olympijské hry 2012. Gasol byl také hráčem s nejvyšším skóre na Letních olympijských hrách 2004 a nositelem vlajky Španělska na slavnostním otevření Letních olympijských her 2012 nahrazujícím zraněného Rafaela Nadala. V roce 2014 byl Gasol jmenován do All-tournament týmu FIBA Basketball World Cup 2014. Na EuroBasket 2015 byl Gasol jmenován MVP soutěže, po několika úžasných vystoupeních, v průměru 25,6 bodů a 8,8 odběru za hru (byl vedoucím soutěže pro body za hru a 4. v odběrech za hru). Během knockoutových zápasů soutěže inspiroval Gasol španělskou stranu, které chyběly mnohé z jejích hvězd jako Ricky Rubio, Juan Carlos Navarro, Álex Abrines a jeho bratr Marc Gasol. Gasol získal 40 bodů v semifinále proti Francii, což byla polovina bodů jeho týmu. 35letý hráč byl také jmenován lídrem soutěže pro zablokované střely za hru (2.3). Dne 7. září 2017 se v zápase proti Maďarsku stal Gasol nejlepším střelcem FIBA EuroBasket, když předjel Tonyho Parkera s 1,033 body. Na EuroBasket získal celkem 1183 bodů.