31-åringen gir seg med øyeblikkelig virkning, men den tidligere Manchester United-spilleren fortsetter med å spille klubbfotball for Shandong Lundeng i Kina.
Der har han spilt siden februar.
– Etter å ha representert Belgia på høyeste nivå i 12 år, har jeg besluttet å stoppe på landslaget. Det har ikke vært noen enkel beslutning, og det er ikke noe jeg har tatt lett på, skriver Fellaini på Twitter.
Fellaini var kjent som en krølltopp, men i den siste tiden har den hodesterke spilleren framstått i en kortklippet utgave.
Han scoret 18 mål på sine 87 kamper for Belgia.
– Jeg føler at dette er riktig tidspunkt for å tre tilbake, slik at den neste generasjonen kan følge opp den suksessfylte perioden i Belgias fotballhistorie. Jeg har mange gode minner og er stolt over at Belgia akkurat nå er nummer én på rankingen til Det internasjonale fotballforbundet (FIFA), skriver Fellaini.
Fellaini spilte 177 kamper og scoret 22 mål i Manchester United før han dro til kinesisk fotball tidligere i vinter. Han var med på Belgias lag som tok bronse i sist sommers VM-sluttspill i Russland.
(©NTB)