Larsen spielte für die dänische Juniorennationalmannschaft, mit der er U20-Europameister wurde. Seit Juni 2011 gehört der Rückraumspieler dem Kader der dänischen A-Nationalmannschaft an, für die er bislang 148 Länderspiele bestritt. Mit Dänemark nahm er an der Handball-Weltmeisterschaft der Männer 2013 teil, bei der die Nordeuropäer Vizeweltmeister wurden. 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 den Weltmeisterschaften 2019 und 2021 wurde er Weltmeister. Mit Dänemark gewann er bei den Olympischen Spielen in Tokio die Silbermedaille.