Ottenuta la doppia cittadinanza, nel 2009 esordisce con la Russia. Tre anni più tardi si aggiudica la Scarpa d'Oro FIFA grazie ai 9 gol messi a segno durante il Campionato mondiale 2012 (di cui 7 segnati alle Isole Salomone). Nel campionato europeo 2014 la Russia raggiunge la finale, dove è tuttavia sconfitta dall'Italia; Lima si consacra capocannoniere del torneo, venendo inoltre inserito nella formazione ideale del torneo stilata dal Gruppo Tecnico della UEFA.