Für die dänische Nationalmannschaft bestritt Holmsgaard 136 Länderspiele, in denen sie 124 Tore erzielte. Sie gehörte zum Aufgebot ihres nationalen Verbandes bei der Weltmeisterschaft 2009 in China. Im Sommer 2012 nahm sie an den Olympischen Spielen in London teil. Pernille Holst Holmsgaard gewann bei der Weltmeisterschaft 2013 die Bronzemedaille und erzielte drei Treffer in acht Partien.