Luís Fabiano is tevens Braziliaans international. In 2004 won hij met de "Seleção" de Copa América. In de eerste wedstrijd tegen Chili maakte Luís Fabiano in de negentigste minuut het enige en daarmee het winnende doelpunt. In de laatste groepswedstrijd tegen Paraguay (1-2) maakte hij het enige Braziliaans doelpunt. In de finale tegen Argentinië was Luís Fabiano basisspeler. In 2009 won hij met Brazilië de Confederations Cup. Luís Fabiano was met vijf doelpunten, waarvan twee in de finale tegen de Verenigde Staten, de topscorer van dit toernooi.