Poulsen 16 mérkőzésen lépett pályára a dán U21-es válogatottban, ott volt a 2006-os U21-es Eb-n is, de a tornán nem lépett pályára. A felnőtt válogatottban 2009 februárjában, Görögország ellen debütált. Első gólját 2009. október 10-én, Svédország ellen szerezte. Bekerült a 2010-es vb-re utazó keretbe. A Kamerun és a Japán ellen csoportmeccseken is csereként kapott lehetőséget. Ott volt a 2012-es Eb-n is, ahol Portugália és Németország ellen lépett pályára.