Thomsen debuteerde onder leiding van bondscoach Morten Olsen in het Deens voetbalelftal. Dat gebeurde op 11 augustus2010, toen de nationale A-ploeg met 2–2 gelijkspeelde tegen Duitsland in een vriendschappelijke wedstrijd in Kopenhagen. Andere debutanten in dat duel namens Denemarken waren Mike Jensen (Brøndby IF), Kasper Lorentzen (Randers FC) en Nicklas Pedersen (FC Groningen). Thomsen viel in dat duel na 27 minuten in voor Simon Poulsen. Hij speelde in totaal drie officiële interlands voor zijn vaderland.