Im Jahre 2005 wurde sie in den Kader der dänischen Nationalmannschaft für die Fußball-Europameisterschaft der Frauen 2005 berufen, kam aber nicht zum Einsatz. Nach einer Knieverletzung der Stammtorwartin Heidi Johansen wurde Stina Lykke Petersen zur Nummer eins für die Fußball-Europameisterschaft der Frauen 2013 in Schweden. Im Eröffnungsspiel der Europameisterschaft gegen Gastgeber Schweden wurde sie zur Heldin, als sie zwei Elfmeter (Lotta Schelin und Kosovare Asllani) halten konnte und so ihrem Team zu einem 1:1-Unentschieden verhalf. Auch im Elfmeterschießen des Viertelfinalspiels gegen Frankreich konnte sie einen Elfmeter halten, so dass Dänemark ins Halbfinale gegen Norwegen einzog, das ebenfalls im Elfmeterschießen entschieden wurde. Dort konnte sie aber keinen Elfmeter halten, während die norwegische Torhüterin Ingrid Hjelmseth zweimal erfolgreich war, wodurch Norwegen das Finale erreichte.