El 7 de octubre de 2015, Mayoral hizo su debut para el equipo sub-21 en un partido de clasificación fuera de Georgia para el Campeonato Europeo de 2017.
; reemplazó a Samu Castillejo con una hora jugada, y nueve minutos más tarde convirtió la asistencia de Saúl Ñíguez en una victoria de regreso de 5-2. Anotó un hat-trick fuera de casa en Irlanda del Norte U21 en el Grupo 2 de la siguiente campaña de clasificación U21 Euros.