For sin krigsinnsats ble Poulsson hedret med Krigskorset med sverd, St. Olavsmedaljen med ekegren og britiske Distinguished Service Order. Tildelingen av Krigskorset, Norges fremste utmerkelse, ble vedtatt i statsråd i London 11. juni 1943 etter den vellykkede aksjonen mot tungtvannsfabrikken på Vemork tidligere samme år. Diplomet ble vedtatt påført begrunnelsen «For fremrakende opptreden og personlig innsats under utførelse av særoppdrag.» Poulsson ble også tildelt Deltagermedaljen med rosett, Haakon VIIs 70-årsmedalje og den britiske medaljen 1939–1945 Star. Ved en seremoni i Les Invalides i Paris i 1948 ble han utnevnt til ridder av den franske Æreslegionen og mottok samtidig det franske Croix de Guerre med palme. Av USA ble han hedret med Frihetsmedaljen med bronsepalme.