Fruelunds landslagsdebut var mot Rumänien den 24 oktober 1997, men hon var inte med i VM 1997 som Danmark vann. Hon spelade under sin landslagskarriär 1997–2012 184 landskamper och gjorde 570 mål. Hennes sista landskamp var 27 maj 2012 i Aalborg mot Ryssland. Katrine Fruelund ingick i de danska lag som tog OS-guld i Sydney år 2000 och OS-guld i Aten år 2004. I Aten var hon den avgörande spelaren för Danmark med 15 mål i finalen och blev utsedd till mest värdefulla spelare i turneringen. Hon vann även EM-guld 2002.