W listopadzie 2013 roku Mahrez zadeklarował chęć gry w reprezentacji Algierii. W połowie maja 2014 roku znalazł się we wstępnej kadrze Algierii na Mistrzostwa Świata 2014. 31 maja zadebiutował w narodowych barwach podczas towarzyskiego spotkania z Armenią i ostatecznie znalazł się ogłoszonej 2 czerwca 23-osobowej kadrze na Mundial. Algierskie media nie były zachwycone tym faktem i sugerowały nawet, że piłkarz zapłacił selekcjonerowi Vahidowi Halilhodžiciowi za powołanie. Na samym turnieju Mahrez wystąpił tylko w jednym meczu – przegranym 1:2 spotkaniu z reprezentacją Belgii.
15 października 2014 roku Mahrez zdobył swojego pierwszego gola dla Algierii, a także zanotował asystę przy bramce Islama Slimaniego podczas wygranego 3:0 meczu eliminacji Pucharu Narodów Afryki 2015 z reprezentacją Malawi. Podczas samego turnieju Mahrez zdobył bramkę w wygranym 2:0 spotkaniu otwarcia z Senegalem, a następnie wystąpił we wszystkich kolejnych meczach, pomagając tym samym dotrzeć Algierii do ćwierćfinału.
3 lipca 2026 roku ogłosił zakończenie kariery reprezentacyjnej.