Varane był stałym punktem francuskiej obrony, jednak Trójkolorowi w 1/4 finału musieli uznać wyższość późniejszych triumfatorów – Niemców.
Pierwotnie powołany, ostatecznie nie wziął udziału w Euro 2016 z powodu kontuzji uda i został zastąpiony przez Adila Ramiego.
17 maja 2018 Varane został powołany do 23-osobowego składu Francji na Mistrzostwa Świata 2018. W ćwierćfinale przeciwko Urugwajowi Varane strzelił gola głową, w wygranym 2:0 meczu. Ostatecznie Francja wygrała turniej po raz drugi w historii, a Varane został czwartym zawodnikiem, który w tym samym roku zwyciężył w mistrzostwach świata i Lidze Mistrzów, po Christianie Karembeu (w 1998), Roberto Carlosie (w 2002) i Samim Khedirze (w 2014).
W maju 2021 znalazł się w kadrze na Euro 2020. W 2022 wystąpił na Mistrzostwach Świata w Katarze, dochodząc do finału.
2 lutego 2023 ogłosił zakończenie kariery reprezentacyjnej. +ReprezentacjaRokMeczeGoleFrancja201340201413120151012016802017502018141201910220207020211202022100Łącznie935