7. októbra 2015 Mayoral debutoval v reprezentačnom tíme U21 v kvalifikačnom zápase proti Gruzínsku na majstrovstvá Európy 2017.
Nahradil Samu Castilleja s hodinou hrania a o deväť minút neskôr premenil Saúl Ñíguezovu asistenciu na víťazstvo 5x2. V druhej skupine nasledujúcej kvalifikácie na EURU U21 dosiahol hat-trick.