Convocato per il Mondiale 2014, segna la prima delle due reti nella partita vinta contro l'Algeria per 2-1. Viene convocato per l'Europeo 2016 in Francia. e anche per il Mondiale 2018, nel corso del quale va in gol agli ottavi di finale, nella partita vinta per 3-2 contro il Giappone. La squadra verrà poi eliminata in semifinale dalla Francia, che vincerà la competizione, e questa partita corrisponde anche all'ultima del giocatore con la selezione belga: il 10 marzo 2019 Fellaini annuncia il proprio ritiro dalla nazionale.