Am 10. Oktober 2015 lief er unter Bondscoach Danny Blind beim 2:1-Sieg im EM-Qualifikationsspiel in Astana gegen Kasachstan erstmals für die niederländische A-Nationalmannschaft auf. Die Europameisterschaft 2016 in Frankreich wurde nach einer 2:3-Niederlage im letzten Spiel in Amsterdam gegen Tschechien verpasst. Auch für die Weltmeisterschaft 2018 in Russland konnte er sich mit der "Elftal" nicht qualifizieren. Unter Danny Blind und seinem zwischenzeitlichen Nachfolger Dick Advocaat, der allerdings nach der verpassten Qualifikation zurücktrat, kam van Dijk in der Qualifikation zu sechs Einsätzen. Der neue Trainer Ronald Koeman ernannte Virgil van Dijk zum neuen Kapitän der niederländischen Nationalmannschaft.