Dendoncker grał w młodzieżowych reprezentacjach Belgii. W 2012 roku wystąpił z reprezentacją Belgii U-17 na Mistrzostwach Europy U-17. W dorosłej reprezentacji Belgii zadebiutował 7 czerwca 2015 roku w wygranym 4:3 towarzyskim meczu z Francją, rozegranym w Saint-Denis. W 85. minucie meczu zmienił Jasona Denayera.