Ông là cầu thủ giữ kỉ lục khoác áo đội tuyển quốc gia Bỉ với 96 lần. Phần lớn thời gian Ceulemans chơi cho tuyển Bỉ dưới sự huấn luyện của huấn luyện viên Guy Thys và đó là giai đoạn mạnh nhất trong lịch sử của Bỉ. Họ vào đến chung kết Euro 80. Tại World Cup 1982, họ thắng đương kim vô địch Argentina 1-0 ngay ở trận khai mạc. Thành tích đáng nhớ nhất của Ceulemans là đội trưởng đội tuyển Bỉ xếp thứ tư tại World Cup 1986. Ông ghi 3 bàn trong giải này, trong đó có pha đánh đầu đẹp mắt vào lưới Tây Ban Nha ở tứ kết. Màn trình diễn ở giải này giúp Ceulemans có biệt danh "Đội trưởng dũng cảm" . Ông giã từ sự nghiệp bóng đá quốc tế sau World Cup 1990. Ceulemans ghi bàn thắng thứ 3 trong trận thắng Uruguay ở giải này trước khi bị Anh loại ở vòng 2.