W sierpniu 2002 r. wraz z polską reprezentacją do lat 20 brał udział w młodzieżowych mistrzostwach Europy rozgrywanych w Trójmieście. Młodzi „Biało-czerwoni” – z Bieleckim jako liderem – wywalczyli pierwszy złoty medal w historii polskiej piłki ręcznej, a Karol indywidualnie tytuł króla strzelców turnieju finałowego. Rok później w młodzieżowych mistrzostwach świata zajął siódme miejsce i został królem strzelców turnieju. Należy do tzw. „złotego pokolenia”, czyli grupy młodych zawodników, którzy kilka lat po wywalczeniu młodzieżowego mistrzostwa, stali się liderami kadry seniorów (wraz z Bieleckim również Krzysztof Lijewski, Patryk Kuchczyński i Mariusz Jurkiewicz). W seniorskiej kadrze narodowej zadebiutował mając 20 lat i 11 miesięcy – 20 grudnia 2002 r. w wygranym 28:19 towarzyskim meczu przeciwko Słowacji w Kielcach. 5 lutego 2007 r. został odznaczony przez prezydenta Lecha Kaczyńskiego Złotym Krzyżem Zasługi. 30 października 2008 r. ogłosił zakończenie kariery reprezentacyjnej z powodu problemów fizycznych. Jednak dzięki namowom Bogdana Wenty zgodził się powrócić i dalej reprezentować nasze barwy narodowe. W 2009 r. wywalczył brązowy medal mistrzostw Świata. W "małym finale" ekipa Polski pokonała Danię 31:23. Karol Bielecki zdobył w tym meczu 10 bramek zostając MVP meczu. Po nieudanych dla reprezentacji Polski kwalifikacjach do Igrzysk Olimpijskich w Londynie, ogłosił zakończenie kariery reprezentacyjnej. Jednak dość szybko dał się namówić nowemu selekcjonerowi kadry Michaelowi Bieglerowi do powrotu i znalazł się w kadrze na mistrzostwa świata 2013. Polacy odpadli w 1/8 finału po porażce z Węgrami 19:27. Na mistrzostwach świata w 2015 r. zdobył brązowy medal. Po nich został odznaczony przez prezydenta Bronisława Komorowskiego Krzyżem Kawalerskim Orderu Odrodzenia Polski. W 2016 r. poprowadził kadrę do czwartego miejsca Igrzysk Olimpijskich w Rio de Janeiro, zdobywając 55 bramek i zostając królem strzelców turnieju.