Außerdem nahm er mit der russischen Mannschaft an den Europameisterschaften 2001, 2003 und 2005 teil, schied jedoch trotz persönlich guter Leistungen jeweils im Viertelfinale aus. 2003 wurde er in die Auswahlmannschaft der besten Spieler des Turniers gewählt. Nachdem sich Russland nicht für die WM 2006 hatte qualifizieren können, gelang bei der EM 2007 dann der große Erfolg, als die Mannschaft im Finale überraschend den Topfavoriten Spanien besiegte und Kirilenko zum MVP des Turniers gewählt wurde. Vor allem aufgrund dieser Leistung wurde ihm auch der FIBA Europe Player Of The Year Award 2007 verliehen. Kirilenko gehört dem russischen Olympiakader für die Spiele in Peking an und wurde als dessen Flaggenträger bestimmt. Nach einer mehrjährigen Nationalmannschafts-Pause gewann er mit Russland bei der Europameisterschaft 2011 die Bronzemedaille und wurde ins "All-Tournament Team", die Auswahlmannschaft der fünf besten Spieler des Turniers, gewählt. Bei den Olympischen Spielen 2012 gewann Kirilenko mit Russland die Bronzemedaille.