Hän oli voittamassa vuoden 2004 Copa Américaa, jossa hän oli aloituskokoonpanossa jokaisessa viidessä pelissä yhdessä kärkiparinsa Adrianon kanssa. Tämän jälkeen Luís Fabianon epäonnistuttua seurajoukkueissaan, hän ei tullut valituksi maajoukkueeseen kolmeen vuoteen. Marraskuussa 2007 hän sai vihdoin kutsun takaisin maajoukkueeseen MM-karsintaotteluun. Hän onnistui myös vakiinnuttamaan paikkansa jälleen avauskokoonpanossa. 19. marraskuuta 2008 Luís Fabiano teki ensimmäisen hattutemppunsa maajoukkueessa ystävyysottelussa Portugalia vastaan.