Am 27. Mai 2010 bestritt er nach drei Jahren beim 2:0-Sieg im Freundschaftsspiel gegen den Senegal wieder ein Länderspiel. Bei der Fußballweltmeisterschaft 2010 in Südafrika kam er in allen drei Gruppenspielen zum Einsatz. Im ersten Gruppenspiel gegen die Niederlande erzielte er ein Eigentor zum 0:1 (Endstand 0:2). Die Dänen schieden nach der Gruppenphase aus. In der Folge kam er zu drei Einsätzen in der Qualifikation zur Fußballeuropameisterschaft 2012 in Polen und der Ukraine und wurde von Morten Olsen auch in den Kader für die Endrunde berufen. Poulsen kam in allen drei Partien in der Gruppenphase zum Einsatz und schied als Gruppendritter mit der Nationalelf aus dem Turnier aus.