Denayer đã ra sân nhiều lần cho Bỉ ở cấp độ U19 và U21, trước khi ra mắt đội tuyển quốc gia vào tháng 3 năm 2015. Anh có tên trong danh sách 23 cầu thủ của Bỉ tham dự EURO 2016. Tại giải đấu này, anh chỉ có một lần ra sân trong trận tứ kết gặp đội tuyển xứ Wales. Ngày 5 tháng 9 năm 2020, anh ghi bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển trong trận gặp Đan Mạch tại UEFA Nations League.