Casper Ulrich Mortensen lief anfangs für die dänische Jugend- und Junioren-Nationalmannschaft auf. Ab 2010 gehörte er dem Kader der A-Nationalmannschaft an. Mit der dänischen Auswahl gewann er 2013 die Silbermedaille bei der Weltmeisterschaft. Bei der Europameisterschaft 2014 im eigenen Land wurde er Vize-Europameister. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann er die Goldmedaille. Bei der Weltmeisterschaft 2019 wurde er Weltmeister. Er verletzte sich im Laufe des Turniers am Meniskus, sein Einsatz im Endspiel verschlimmerte die Verletzung.