Pada 7 Oktober 2015, Mayoral membuat debutnya untuk tim U-21 dalam pertandingan kualifikasi pergi ke Georgia untuk Kejuaraan Eropa 2017
; ia menggantikan Samu Castillejo dengan bermain satu jam, dan sembilan menit kemudian mengubah assist Saúl Ñíguez menjadi kemenangan comeback 5-2. Dia mencetak hat-trick di Irlandia Utara U21 di Grup 2 dari kampanye kualifikasi U21 Euro berikutnya.