Dennis Lillee nahm während seiner Karriere für Australien an 70 Testmatches teil, bei denen er insgesamt 355 Wickets erreichte. Seinen ersten Testeinsatz hatte er 1971 gegen England in Adelaide. Bei einem Test gegen das Team der West Indies erzielte er am 27. Dezember 1981 seinen 310. Testwicket und brach damit den von Lance Gibbs gehaltenen Rekord. Seinen letzten Einsatz bei einem Test hatte Dennis Lillee im Januar 1984 in Sydney gegen Pakistan. Des Weiteren bestritt er 63 One-Day International Cricket Matches (ODIs) für Australien, bei denen er insgesamt 103 Wickets erzielte. Damit war er der erste Cricketer überhaupt, dem es gelang 100 Wickets bei ODIs zu erzielen. Mit dem australischen Team nahm Lillee außerdem an zwei Cricket Weltmeisterschaften teil (1975 und 1983).