Ganó la Copa América 2004 con Brasil, donde fue titular en los cinco partidos junto a sus compañero delantero Adriano. Sin embargo, durante su mala racha en Europa con el FC Porto y el Sevilla FC, no anotó goles internacionales durante más de tres años, algo que también hizo que no fuera convocado ni a las Eliminatorias al Mundial 2006 durante todo el año 2005, ni el mismo mundial. Finalmente fue convocado a la selección nacional en noviembre de 2007 para un partido de clasificación para la Copa del Mundo. El 19 de noviembre de 2008, Luís Fabiano anotó su primer hat-trick internacional en un partido amistoso contra en Brasilia. El partido terminó en una victoria de 6-2 para Brasil.