A livello internazionale, Willemse si laureò campione del mondo giovanile con la nazionale sudafricana under-20 durante il mondiale 2012. Non più selezionato dalle rappresentative sudafricane, divenne eleggibile per rappresentare la dopo aver ottenuto il passaporto francese nel novembre 2018. Questa possibilità fu subito sfruttata dal ct dei "Bleus" Jacques Brunel che lo convocò per il Sei Nazioni 2019 facendolo debuttare nella prima giornata contro il e schierandolo poi per tutto il prosieguo del torneo. Chiamato successivamente nella squadra francese allargata per la , non riuscì a prendere parte alla competizione iridata a causa di un infortunio. Il nuovo commissario tecnico dei transalpini Fabien Galthié lo schierò titolare per tutto il Sei Nazioni 2020, dove segnò la sua prima meta internazionale nell'incontro con il Galles. Nell'autunno dello stesso anno giocò la prima partita dell'Autumn Nations Cup contro la .