Sinh ra tại Bỉ và có cha mẹ là người Maroc, Fellaini đã quyết định thi đấu cho đội tuyển Bỉ thay vì Maroc. Anh từng được gọi vào đội tuyển U-23 tham dự Olympic 2008 và kết thúc giải đấu ở vị trí thứ 4 sau khi để thua Brasil.

Fellani lần đầu tiên được khoác áo đội tuyển quốc gia vào tháng 2 năm 2007, và bàn thắng đấu tiên của anh cho đội tuyển diễn ra trong trận thua Bồ Đào Nha 2–1 tại vòng loại Euro 2008.[30]

Fellaini đã có 7 lần vào sân thi đấu tại vòng loại World Cup 2014, có 1 lần lập công[31] và cùng đội tuyển Bỉ giành vé tham dự World Cup 2014. Tại giải đấu này, anh không ghi được bàn thắng nào nhưng đã góp công xuất sắc đưa quỷ đỏ vào tứ kết và thua Argentina với tỉ số 0-1.

Tại World Cup 2018, anh chỉ có được một bàn thắng trong trận thắng 3-2 trước Nhật Bản. Chung cuộc Bỉ giành huy chương đồng chung cuộc sau chiến thắng 2-0 trước đội tuyển Anh ở trận tranh 3/4. Sau giải đấu này, Fellaini chính thức chia tay đội tuyển quốc gia sau 11 năm gắn bó, tổng cộng anh đã thi đấu 87 trận và ghi được 18 bàn thắng.

Bàn thắng quốc tế