Mpenza war Nationalspieler Belgiens. Mit der belgischen Nationalmannschaft nahm er an der WM 1998 in Frankreich teil und kam in den drei Vorrundenspielen jeweils als Einwechselspieler zum Einsatz. Zwei Jahre später war er im Kader der Landesauswahl bei der Europameisterschaft. Bei dieser war er neben Branko Strupar und Luc Nilis gesetzt und erzielte den einzigen Stürmertreffer seiner Mannschaft. Bei der Weltmeisterschaft 2002 fehlte er wegen einer Verletzung. Nach mehr als zwei Jahren Abstinenz feierte Mpenza im August 2009 sein Comeback in der Nationalelf. Insgesamt absolvierte er 57 Länderspiele und erzielte dabei 19 Tore.