Nachdem Nielsen bereits Juniorennationalspielerin gewesen war, debütierte sie im März 2008 in der dänischen Nationalmannschaft. Beim Algarve-Cup wurde sie in vier Spielen eingesetzt und erreichte mit ihrer Mannschaft das Finale, die bisher letzte Finalteilnahme der Däninnen, gegen die USA, das aber mit 1:2 verloren wurde. Sie wurde dann im Mai auch noch in einem Qualifikationsspiel für die EM 2009 eingesetzt, für die EM aber nicht nominiert. Beim Algarve-Cup 2011 erzielte sie im ersten Gruppenspiel gegen China ihr erstes Länderspieltor zum 1:0-Sieg, dem einzigen Sieg der Däninnen bei diesem Turnier. Ihr erstes großes Turnier war die Europameisterschaft 2013, für die sie von Nationaltrainer Kenneth Heiner-Møller in den Kader berufen wurde. Dort bestritt sie bis zum Ausscheiden im Halbfinale gegen Norwegen alle fünf Turnierspiele der Auswahl. Ihr 100. Länderspiel bestritt sie am 22. Oktober 2016 zusammen mit ihrer Namensvetterin Sanne Troelsgaard Nielsen.