Одемвингие играл за Нигерию на Кубке африканских наций 2004 (забив 4 гола в 6 играх) и 2006 года. На Кубке африканских наций 2008 он сыграл во всех матчах сборной (трижды в основе и выход на замену в проигранном матче с Кот-д’Ивуаром вместо Джона Утаки), не забил ни одного мяча. На Олимпийских играх 2008 сыграл во всех 6 матчах сборной Нигерии, забил 1 гол; стал серебряным призёром Олимпийских игр. На последнем Кубке африканских наций 2010 был выпущен на замену в матче с Бенином, а в матче с Мозамбиком отметился дублем, принеся команде победу и выход в плей-офф.