За особые успехи в спорте получил приглашение в сборную СССР, где вслед за Юрием Кузнецовым стал одним из первых в истории сборной футболистом, призванным в первую сборную не из команды высшего дивизиона. 19 мая 1960 года дебютировал за сборную СССР в товарищеской игре против Польши (7:1) и забил 3 гола. Попал в заявку сборной СССР на первый чемпионат Европы во Франции 1960 года. В финале, где сборная СССР уступала в первой половине матча 0:1 сборной Югославии, в начале следующей половины на 49-й минуте Слава Метревели сравнял счёт, и в упорной игре дополнительного тайма на 113-й минуте гол Виктора Понедельника стал «золотым». Сборная СССР выиграла Кубок Европы, став первыми обладателями данного трофея. В том же году Понедельник был включён в список лучших игроков сезона чемпионата СССР, где находился ещё три года подряд.