Anh là thành viên của Đội tuyển bóng đá quốc gia Đan Mạch kể từ năm 2001, thi đấu 92 trận và ghi sáu bàn. Anh cùng Đan Mạch tham dự Giải vô địch bóng đá thế giới 2002, Giải vô địch bóng đá thế giới 2010 và Giải vô địch bóng đá châu Âu 2004. Poulsen đoạt giải Cầu thủ U-21 Đan Mạch xuất sắc nhất năm 2001 và là Cầu thủ xuất sắc nhất Đan Mạch các năm 2005 và 2006.