Den 3 november 2014 blev Thelin för första gången uttagen i truppen för A-landslaget. Hans debut kom den 15 november 2014 i en EM-kvalmatch mot Montenegro, som slutade 1-1. På dagen två år senare, den 15 november 2016, gjorde han i sin tionde landskamp sitt första landslagsmål, när Sverige besegrade Ungern med 2-0 i en träningsmatch. Den 25 mars 2017 gjorde Kiese Thelin sitt första landslagsmål i en tävlingsmatch, i en VM-kvalseger med 4–0 över Belarus.