W swojej karierze Thomsen występował w młodzieżowych reprezentacjach Danii. W 2015 roku wystąpił z reprezentacją U-21 na Mistrzostwach Europy U-21. W dorosłej reprezentacji Danii zadebiutował 18 listopada 2014 w przegranym 0:2 towarzyskim meczu z Rumunią, rozegranym w Bukareszcie.