Für die Sowjetische Eishockeynationalmannschaft absolvierte Dmitri Kwartalnow die Weltmeisterschaften 1989 und 1991. Nach dem Zerfall der Sowjetunion nahm er noch einmal für das russische Team an der WM 1996 teil. In insgesamt 25 WM-Spielen erzielte der Angreifer jeweils sieben Tore und Assists.