Radja Nainggolan sebenanrya memenuhi syarat untuk mewakili Indonesia, namun akhirnya ia memilih bermain untuk Belgia.
Ia mengambil bagian di final International Challenge Trophy 2007-2009, sebuah turnamen yang dimenangkan oleh timnaas Belgia U-23.
Nainggolan mendapatkan caps senior pertamanya pada 29 Mei 2009 saat melawan Chile di Piala Kirin.
Dia mencetak gol pertamanya untuk Belgia pada tanggal 5 Maret 2014, dalam hasil imbang persahabatan 2-2 dengan Pantai Gading.
Pada 13 Mei 2014, Nainggolan terpilih dalam daftar standby untuk Piala Dunia FIFA 2014, namun dia tidak melakukan pemotongan terakhir.
Nainggolan adalah starter untuk tim yang dipimpin Marc Wilmots selama bermain di kualifikasi UEFA Euro 2016.
Dia mencetak gol dalam hasil imbang tandang dengan Bosnia dan Herzegovina, dan kemenangan 4-1 di Andorra saat tim lolos ke turnamen untuk pertama kalinya dalam 16 tahun.
Nainggolan terpilih ke final di Prancis dan melakukan debutnya di turnamen pada 13 Juni, bermain 62 menit dalam kekalahan 2-0 melawan Italia.