Кирилл Кулёмин привлекался в сборную России по регби-15. В составе сборной России по регбилиг выступал на чемпионате мира 2000 года и вышел в матче против Австралии (поражение 4:110), сыграл ещё два матча в 2003 году. Чемпионат мира 2011 года Кирилл пропустил из-за травмы, полученной во время матча в Уэльсе: его захватили вдвоём или втроём, и в результате неудачного движения Кирилл получил повреждение колена. Через два дня состоялась операция, которая позволяла теоретически Кулёмину восстановиться к чемпионату мира, но последующие осложнения исключили его участие в турнире.