Pada Jun 2015, Tielemans telah dipanggil oleh skuad senior Belgium untuk menghadapi aksi kelayakan UEFA Euro 2016 menentang Wales.[23] Beliau akhirnya melakukan penampilan sulungnya untuk Belgium pada 9 November 2016 dalam aksi persahabatan menentang pesaing jiran, Belanda selepas beliau menggantikan Steven Defour pada minit ke-82.[24]

Tielemans telah disenaraikan ke dalam skuad Piala Dunia FIFA 2018 di Rusia oleh pengurus Roberto Martínez.[25] Beliau telah beraksi dalam empat perlawanan, termasuklah ketika perlawanan penentu tempat ketiga menewaskan England 2-0.[26]

Tielemans menjaringkan gol sulungnya untuk Belgium pada 21 Mac 2019 ketika aksi kelayakan UEFA Euro 2020 menentang Rusia.[27] Beliau telah dipanggil untuk menyertai skuad UEFA Euro 2020 yang ditangguhkan ke Mei 2021.[28]