Sein erstes Länderspiel für Dänemark absolvierte Larsen am 22. Juni 1977 gegen Finnland. Dabei stand er in der Startelf. Durch die Tatsache, dass er in Köln nur Ergänzungsspieler war, dauerte es bis Mai 1978 bis zu seinem zweiten Länderspiel. Nach seinem Wechsel nach Belgien, wurde er dann Stammspieler in der Nationalelf. Unter dem deutschen Nationaltrainer Sepp Piontek qualifizierte sich Preben Elkjær für die EM 1984 in Frankreich. Dänemark hatte die Qualifikationsgruppe als Sieger vor England beendet und Larsen war mit vier Treffern einer der dänischen Leistungsträger gewesen. In Frankreich kämpfte sich die dänische Mannschaft bis ins Halbfinale. Larsen hatte mit zwei Treffern Anteil an den zwei dänischen Siegen in der Vorrunde gehabt. Gegen Halbfinal-Gegner Spanien erreichte die Mannschaft das Elfmeterschießen, in dem allerdings Larsen zur tragischen Figur wurde. Er verschoss den letzten entscheidenden Elfmeter, wodurch Dänemark ausschied. Aufgrund seiner starken Leistung im Turnier wurde Larsen hinter Platini und Tigana auf den dritten Platz des besten europäischen Fußballers des Jahres 1984 gewählt.