O 7 de outubro de 2015, Mayoral fixo o seu debut co equipo sub-21 nun partido de clasificación contra a Xeorxia para o Campionato de Europa de 2017.
; substituíu a Samu Castillejo cunha hora xogada, e nove minutos máis tarde converteu a asistencia de Saúl Ñíguez nunha vitoria de regreso de 5 a 2. Marcou un hat-trick fóra de casa contra Irlanda do Norte U21 no Grupo 2 da seguinte campaña de clasificación para a Eurocopa U21.