Vasilev debuterte for Bulgaria U-21 i 2009 og fikk til sammen fem kamper frem til 2011. Han fikk sin a-landslagsdebut for i en vennskapskamp borte mot den 8. juni 2015 (4–0). Hans første landslagsmål kom i UEFA Nations League i gruppe C3 hjemme mot den 9. september 2018 (1–0).