Ngày 7 tháng 2 năm 2015, Vasilev ra mắt lần đầu cho Bulgaria, trong trận giao hữu hòa 0–0 cùng với România, thi đấu hết trận.[3] Anh ra mắt chính thức cho đội tuyển lần đầu ngày 28 tháng 3 năm 2015, sau khi vào sân từ ghế dự bị những phút cuối trong trận hòa 2–2 sân nhà trước Ý tại vòng loại Euro 2016.