Rensenbrink debytoi Alankomaiden maajoukkueessa vuonna 1968 Skotlantia vastaan, mutta pelaaminen Belgiassa ja taistelu pelipaikasta Johan Cruijffin ja Piet Keizerin kaltaisten tähtien kanssa toi peliaikaa maajoukkueessa harvakseltaan. Rinus Michelsin tulo maajoukkueen päävalmentajaksi tiesi Rensenbrinkille uutta mahdollisuutta. Hän pelasi vuoden 1974 MM-kisoissa Alankomaiden joukkueessa yhtä vaille kaikissa otteluissa ja onnistui maalinteossa kerran. Rob Rensenbrink pelasi kisoissa keskikentän vasemmalla laidalla, koska Cruijff pelasi vasemman hyökkääjän paikalla, missä Rensenbrink yleensä pelasi. Saksa voitti Alankomaat finaalissa ja Rensenbrink sai MM-hopeaa. Neljä vuotta myöhemmin vuoden 1978 MM-kisoissa Rensenbrinkillä oli vielä isompi rooli Alankomaiden joukkueessa ja hän pääsi pelaamaan hyökkääjänä, koska Cruijff ei ollut enää maajoukkueessa. Kun Rensenbrink sitten teki avausottelussa Irania vastaan hattutempun, häneen kohdistui valtavat paineet ja media vertasi häntä jatkuvasti Cruijffiin. Myöhemmin turnauksessa Rensenbrink teki Skotlantia vastaan rangaistuspotkumaalin ja se oli MM-kisojen historian 1 000. maali. Rob Rensenbrink teki turnauksessa yhteensä 5 maalia, yhden vähemmän kuin maalikuninkuuden voittanut argentiinalainen Mario Kempes, ja oli ratkaista finaalissa maailmanmestaruuden Alankomaille, mutta laukaus osui tolppaan. Peli meni jatkoajalle ja Argentiina voitti maailmanmestaruuden. Rensenbrink sai jälleen MM-hopeaa muun joukkueen ohella. Maailmanmestaruuskisojen lisäksi hän pelasi vuoden 1976 EM-kisoissa kaksi ottelua ja voitti EM-pronssia. Rob Rensenbrink pelasi Alankomaiden joukkueessa 46 maaottelua ja teki niissä 14 maalia.