Seit 14. August 2013 spielt Vestergaard für die dänische A-Nationalmannschaft. Im Sommer 2015 nominierte Trainer Morten Olsen ihn nicht für die EM-Qualifikationsspiele gegen Albanien und Armenien. Daraufhin äußerte Vestergaard, er könne sich vorstellen, für die deutsche Nationalmannschaft aufzulaufen, da er für die dänische Nationalmannschaft noch kein Pflichtspiel absolviert hatte. Seit seinem ersten Pflichtspiel für die dänische A-Nationalmannschaft am 17. November 2015 im EM-Play-Off-Rückspiel gegen Schweden ist ein Verbandswechsel jedoch nicht mehr möglich. In diesem Spiel erzielte Vestergaard das Tor zum 2:2-Endstand, das jedoch nicht zur Qualifikation für die EM 2016 ausreichte.