In den Jahren 2010 und 2011 absolvierte Vestergaard 13 Spiele für die dänische U-18, U-19- und U-20-Nationalmannschaft. Als U-21-Nationalspieler qualifizierte er sich 2014 für die Teilnahme an der U-21-Fußball-Europameisterschaft 2015. Während dieses Turniers führte er die U-21-Nationalmannschaft als Mannschaftskapitän an und erreichte das Halbfinale, das 1:4 gegen Schweden verloren wurde. Für die U-21 erzielte er vier Tore in 28 Spielen.