В составе национальной сборной Кириленко дебютировал в 2000 году на Олимпиаде в Сиднее. Играл на чемпионатах Европы 2001, 2003, 2005, 2007 годов, чемпионате мира 2002 года. С первых выступлений за национальную сборную Кириленко стал лидером сборной России, определяя её игру.