Willems đã có mặt trong đội hình tuyển U-17 Hà Lan vô địch Giải U-17 châu Âu năm 2011.

Đầu tháng 5 năm 2012, anh được huấn luyện viên trưởng đội tuyển Hà Lan Bert Van Marwijk lần đầu tiên triệu tập vào đội tuyển trong danh sách 36 cầu thủ dự kiến tham dự Euro 2012 tại Ba Lan và Ukraine.[21] Sau đó, Willems tiếp tục có tên trong danh sách rút gọn 27 cầu thủ vào ngày 15 tháng 5[22] trước khi có tên trong danh sách 23 cầu thủ chính thức vào ngày 26 tháng 5.[23]

Ngày 26 tháng 5 năm 2012, Willems có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển quốc gia trong trận giao hữu thua Bulgaria 1-2. Anh trở thành cầu thủ trẻ nhất thi đấu cho đội tuyển quốc gia kể từ Gerard Vanenburg năm 1982 ở 18 tuổi 57 ngày.[24]

Ngày 9 tháng 6, Willems có mặt trong đội hình chính thức của Hà Lan gặp Đan Mạch ở lượt trận đầu của bảng B Euro 2012 và đã lập kỷ lục là cầu thủ trẻ nhất ra sân ở một vòng chung kết UEFA Euro lúc 18 tuổi 71 ngày, phá kỷ lục cũ của Enzo Scifo lập khi khoác áo đội tuyển Bỉ lúc 18 tuổi 115 ngày khi ra sân ở trận gặp Nam Tư tại vòng chung kết Euro 1984.[25][26] Anh có mặt trong cả ba trận đấu vòng bảng nhưng đội tuyển Hà Lan đã bị loại khỏi giải sau khi thua cả ba trận đấu này.

Tháng 4 năm 2014, anh dính chấn thương đầu gối và bỏ lỡ cơ hội tham dự World Cup 2014.[27]