Тем временем карьера в сборной России у Бирюкова складывалась менее успешно: в 2012 году он сыграл только в трёх матчах Мировой лиги, в 2013-м присоединился к национальной команде после победы на Универсиаде в Казани в составе студенческой сборной, где был капитаном, выступил на Мемориале Вагнера, но не попал в заявку на чемпионат Европы. И всё же в 2014 году, по-новому раскрывшись в московском «Динамо», Денис вернулся в сборную и сыграл на Мировой лиге и чемпионате мира в Польше.