Dembélé membuat pemunculan pertama bersama Belgium pada 20 Mei 2006 menentang Slovakia untuk menggantikan Luigi Pieroni.[19] Beliau menjaringkan gol antarabangsa buat pertama kalinya pada Oktober 2006 menentang Azerbaijan. Dembélé juga terpilih dalam skuad Belgium untuk Sukan Olimpik 2008 di Beijing di mana beliau memasuki perlawanan menentang Itali, 3-2 dalam suku akhir di mana Dembélé menjaringkan dua gol, Dembélé bermain dalam semua perlawanan Sukan Olimpik.[20]

Pada 13 Mei 2014, Dembélé telah disenaraikan dalam skuad Belgium untuk Piala Dunia FIFA 2014 di Brazil.[21] Beliau bermain selama 65 minit sebagai pemain tengah sebelum digantikna oleh Marouane Fellaini dalam perlawanan menentang Algeria, 2-1 di Belo Horizonte.[22]