Nuorten maajoukkueissa pelannut Nainggolan debytoi Belgian jalkapallomaajoukkueessa toukokuussa 2009 Chileä vastaan. Maaliskuussa 2014, vasta viidennessä maaottelussaan pelannut Nainggolan teki uransa ensimmäisen maaottelumaalin Norsunluurannikon verkkoon 2–2 päättyneessä ottelussa. Maajoukkueen päävalmentaja Marc Wilmots ei kuitenkaan valinnut Nainggolania lopulliselle 23 miehen listalle vuoden 2014 MM-kilpailuihin, joissa Belgia selviytyi puolivälieriin. Euroopan-mestaruuskilpailuissa 2016 Nainggolan pelasi Belgian kaikissa viidessä ottelussa. Hän teki Ruotsia vastaan pelatun viimeisen alkulohko-ottelun ainoan maalin kaukolaukauksella 84. peliminuutilla ja Belgian ainoan maalin tappioon päättyneessä puolivälieräottelussa Walesia vastaan. Häntä ei valittu vuoden 2018 MM-kilpailuihin ja hän päätti sen jälkeen lopettaa maajoukkueuransa keväällä 2018.