W reprezentacji Belgii Odilon Polleunis występował w latach 1968–1975. W 1970 uczestniczył w mistrzostwach świata. Na mundialu w Meksyku wystąpił w dwóch meczach grupowych z Salwadorem i Meksykiem. W 1972 uczestniczył w mistrzostwach Europy. W turnieju finałowym rozgrywanym w Belgii wystąpił w przegranym 1-2 półfinale z RFN (strzelił honorową bramkę w 83 min.) oraz wygranym 2-1 meczu o trzecie miejsce z Węgrami. Ogółem w reprezentacji Belgii rozegrał 22 spotkania i strzelił 10 bramek.