Am 10. November 2001 debütierte Poulsen in der dänischen Nationalelf beim 1:1 im Spiel in Kopenhagen gegen die Niederlande in der Anfangself. Für die Nationalelf kam er auf 92 Länderspiele und erzielte sechs Tore. Poulsen nahm mit der Nationalelf an der WM 2002, der EM 2004 und an der WM 2010 und an der EM 2012 teil. Das letzte Gruppenspiel der EM-Endrunde 2012 am 17. Juni 2012 gegen Deutschland war sein letztes Spiel für die dänische Nationalmannschaft.