Bendtner bắt đầu sự nghiệp tại các đội tuyển quốc gia bằng ba bàn trong ba trận cho đội U16 quốc gia Đan Mạch vào tháng 2 năm 2004.[74] Anh tiếp tục ghi 6 bàn trong 15 trận cho đội U17 Đan Mạch,[75] và giành danh hiệu Cầu thủ U17 Đan Mạch xuất sắc nhất năm 2004.[76]

Bendtner là cầu thủ trẻ nhất trong đội hình đội U21 Đan Mạch dự Giải vô địch bóng đá U-21 châu Âu 2006. Anh ra mắt đội U21 vào ngày 17 tháng 5 năm 2006 và ghi cả hai bàn trong trận thắng 2–0 trước Tây Ban Nha.[77]

Bendtner có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển quốc gia Đan Mạch vào ngày 16 tháng 8 năm 2006 khi mới chỉ 18 tuổi, giúp anh trở thành cầu thủ trẻ thứ bảy từng chơi cho đội tuyển quốc gia nước này.[78] Anh xuất phát ngay từ đầu trong trận đấu đó gặp đội tuyển Ba Lan. Anh có bàn thắng đầu tiên chỉ sau 30 phút giúp Đan Mạch thắng 2–0.[79] On ngày 1 tháng 9 năm 2006, Anh có trận đấu chính thức thứ hai trong màu áo Đan Mạch khi vào sân thay người trong trận giao hữu với Bồ Đào Nha và ghi bàn ấn định chiến thắng 4–2 cho Đan Mạch.[80] Dù chưa đầy 20 tuổi nhưng Bendtner sớm có chỗ đứng trong đội tuyển quốc gia Đan Mạch và ghi hai bàn tại vòng loại Euro 2008.

Tại vòng loại World Cup 2010, Bendtner ghi bàn cân bằng tỉ số ở phút 84 trước Bồ Đào Nha, trong trận đấu mà Đan Mạch giành chiến thắng 3–2.[81] Anh tiếp tục phá lưới Bồ Đào Nha một lần nữa ở trận đấu lượt về vòng bảng.[82] Bốn ngày sau anh tiếp tục ghi bàn nhờ cú đánh đầu trong trận gặp Albania. Anh kiến tạo cho Jakob Poulsen ghi bàn trong chiến thắng 1–0 trước Thụy Điển giúp Đan Mạch giành vé tới World Cup 2010. Anh kết thúc vòng loại với ba bàn thắng ghi được. Nhờ những đóng góp trên anh được bầu là cầu thủ xuất sắc nhất Đan Mạch và bàn thắng vào lưới Bồ Đào Nha được chọn là Bàn thắng của năm.[83][84] Bendtner ghi bàn gỡ hòa cho Đan Mạch trong chiến thắng 2–1 trước Cameroon tại vòng bảng World Cup 2010.[85]

Anh ghi hai bàn trong trận thắng 2–0 trước Na Uy ngày 6 tháng 9 năm 2011. Vào ngày 7 tháng 10, Bendtner không thể ghi bàn trong trận thắng 4–1 trước đảo Síp dù có khá nhiều cơ hội ngon ăn. Tuy nhiên chỉ bốn ngày sau anh trở thành người hùng trước Bồ Đào Nha khi ghi bàn ở phút 63 giúp Đan Mạch vượt qua vòng loại Euro 2012. Vào ngày 11 tháng 11, anh ghi bàn trong trận giao hữu với kình địch Thụy Điển.

Bendtner được triệu tập vào đội hình dự Euro 2012. Vào ngày 13 tháng 6, anh ghi hai bàn trong trận thua xít xao 3–2 trước Bồ Đào Nha ở trận đấu vòng bảng thứ hai. Trong lúc ăn mừng bàn thắng thứ hai, Bendtner để lộ logo của hãng cá cược Paddy Power in trên chiếc quần trong. Vì lý do này UEFA quyết định treo giò anh một trận đấu tại vòng loại World Cup 2014 và phạt 100.000 euro. Công ty cá cược trên sau đó hỗ trợ tiền phạt cho Bendtner.[86][87] Vào ngày 12 tháng 10 năm 2012, anh ghi bàn gỡ trong trận hòa 1–1 với Bulgaria tại vòng loại World Cup 2014.

Vào tháng 3 năm 2013, Hiệp hội bóng đá Đan Mạch treo giò Bendtner khỏi đội tuyển quốc gia trong 6 tháng sau khi anh bị bắt vì lái xe trong tình trạng xay sỉn. Trích lời của liên đoàn: "DBU đã yêu cầu cầu thủ Nicklas Bendtner hãy dành 6 tháng để nghĩ ngợi về tương lai thi đấu quốc tế của mình. DBU tôn trọng đời tư cá nhân của tất cả các cầu thủ, nhưng cũng có các quy tắc nhất định về mặt ứng xử cá nhân cần phải được đáp ứng bởi các cầu thủ làm nhiệm vụ quốc tế."[88]

Bendtner trở lại đội tuyển trong trận gặp Ý và ghi cả hai bàn trong trận đấu này.[89] Chấn thương mắt cá gặp phải tại Arsenal khiến Bendtner bị gạt ra khỏi đội tuyển tới tận tháng 3 năm 2014 khi anh được triệu tập trở lại cho trận giao hữu với Anh tại Wembley.[90] Anh ra sân ngay từ đầu nhưng bị thay ra ở phút 63.[91]

Ở lần triệu tập đầu tiên kể từ khi Bendtner chuyển sang Wolfsburg, huấn luyện viên Martin Olsen thay vì gọi Bendtner đã chọn Martin Braithwaite làm tiền đạo duy nhất cho trận giao hữu với Thổ Nhĩ Kỳ và trận đấu tại vòng loại Euro 2016 với Armenia.[92] Vào ngày 25/3/2015, Bendtner ghi một hat-trick trong cú lội ngược dòng chiến thắng 3-2 của Đan Mạch trước Mỹ trong trận giao hữu trên sân NRGi Park ở Aarhus.[93][94]