Für die Eishockeynationalmannschaft der DDR, in der er zehn Jahre lang als Mannschaftskapitän fungierte, absolvierte er insgesamt 296 Länderspiele. Er nahm an 13 Eishockey-Weltmeisterschaften teil und ist einer von fünf Spielern mit 250 oder mehr Spielen in der DDR-Nationalmannschaft, nur Dietmar Peters erreichte mehr Einsätze. Bei den B-Weltmeisterschaften 1979 in Galaţi und 1982 in Klagenfurt wurde Dieter Frenzel in das All-Star-Team berufen. Seine beste Platzierung im internationalen Bereich war der sechste Platz bei der A-Weltmeisterschaft 1983.