Thomsen spielte in Jugendauswahlmannschaften Dänemarks. Mit der U-21 nahm er 1992 an den olympischen Sommerspielen 1992 in Barcelona teil, er war Kapitän seiner Auswahl. 1995 debütierte er in der A-Nationalmannschaft und nahm 1996 unter Trainer Richard Møller Nielsen an der Europameisterschaft teil. Thomsen wurde in allen drei Spielen eingesetzt, konnte das Aus in der Gruppenphase auch nicht verhindern.