Nainggolan representerade Belgiens landslag mellan 2009 och 2018 och var bland annat uttagen i Belgiens trupp till EM 2016. Den 21 maj 2018 meddelade Nainggolan att han slutade i landslaget efter att ha blivit petad från Belgiens trupp till VM i Ryssland 2018. Det blev sammanlagt 30 landskamper för Nainggolan i landslaget.