В составе сборной Бразилии Марсио дебютировал 12 сентября 1990 года в товарищеской игре с Испанией, в которой бразильцы проиграли 0:3. В 1991 году он поехал со сборной на Кубок Америки, где провёл 4 игры, а бразильцы заняли 2-е место. В 1994 году Марсио играл в составе сборной на чемпионате мира, где провёл все 7 игр и забил 1 гол (в ворота Камеруна). Марсио Сантос, единственный из бразильцев, не забил послематчевый пенальти в ворота Италии, но это не помешало Бразилии стать чемпионом мира. В 1997 году Марсио поехал на свой второй Кубок Америки, но не провёл там ни одной игры. Всего за сборную Марсио провёл 43 матча и забил 5 голов.