Жулио появился в заявке сборной Бразилии в 2003 году, не проведя ни одной игры в Кубке Конфедераций 2003 года, а дебютировал в сборной Бразилии 8 июля 2004 года. Он стал победителем Кубка Америки 2004 года, а на чемпионате мира 2006 года был третьим вратарем сборной и не сыграл ни одной игры. В полуфинальном матче на домашнем чемпионате мира 2014 года пропустил 7 мячей от сборной Германии (1:7), что стало антирекордом за всю историю выступлений сборной Бразилии на чемпионатах мира и первым с 1920 года поражением с разницей в 6 мячей. По окончании турнира Жулио Сезар объявил об окончании карьеры в сборной Бразилии. Всего за сборную Жулио Сезар сыграл 87 матчей, среди вратарей больше него сыграли только Клаудио Таффарел (101) и Жилмар (94).