Cavani pelasi kolmessa ottelussa Uruguayn voittaessa Copa Américan 2011. Lontoon olympialaisissa 2012 hän pelasi alkulohkossa pudonneen Uruguayn kaikki ottelut. Hän pelasi Uruguayn kaikki neljä ottelua MM-kilpailuissa 2014 ja Copa Américassa 2015 sekä kaikki kolme ottelua Copa América Centenariossa 2016. MM-kilpailuissa 2018 hän pelasi neljä ottelua, joissa teki kolme maalia.