Nainggolan có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển Bỉ vào ngày 29 tháng 5 năm 2009 gặp Chile tại Cúp Kirin. Tuy nhiên gần 5 năm sau đó, anh mới có bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển Bỉ trong trận giao hữu hòa 2-2 với Bờ Biển Ngà.[12] Ngày 13 tháng 5 năm 2014, Nainggolan được đưa vào đội hình sơ bộ tham dự World Cup 2014[20] nhưng sau cùng đã bị loại khỏi danh sách 23 cầu thủ cuối cùng.

Trong suốt vòng loại Euro 2016, Nainggolan có mặt trong 9/10 trận vòng loại[4], ghi được hai bàn thắng trong các trận đấu với Bosnia và Herzegovina[21] và Andorra.[22] Kết thúc vòng loại, đội tuyển Bỉ giành quyền tham dự giải vô địch châu Âu sau 16 năm vắng bóng.

Nainggolan có tên trong danh sách 23 tuyển thủ Bỉ tham dự Euro 2016 tại Pháp.[23] Anh có trận đấu đầu tiên tại một giải đấu quốc tế lớn vào ngày 13 tháng 6, trong trận thua 2-0 trước Ý. Sau khi chỉ được vào sân từ ghế dự bị trong chiến thắng 3-0 trước CH Ireland, anh trở lại đội hình xuất phát trong trận cuối cùng vòng bảng với Thụy Điển và ghi bàn thắng duy nhất của trận đấu từ một cú sút xa.[24] Trong trận đấu tứ kết với Wales, anh giúp Bỉ vươn lên dẫn trước từ sớm bằng một cú sút xa đẹp mắt nhưng chung cuộc Bỉ đã để thua ngược 1–3.[25]

Sau khi không được triệu tập vào đội tuyển Bỉ tham dự World Cup 2018 tại Nga, Radja Nainggolan chia tay đội tuyển quốc gia sau 9 năm gắn bó, tổng cộng anh đã thi đấu 29 trận và ghi được 6 bàn thắng.[26]