Willian teki maajoukkuedebyyttinsä Brasilian paidassa 10. marraskuuta 2011 pelatussa ottelussa Gabonia vastaan. Hän teki ensimmäisen maajoukkuemaalinsa 5-0-voitossa Hondurasista 17. marraskuuta 2013. MM-kilpailuissa 2014 hän tuli neljässä ottelussa vaihdosta kentälle ja oli avauskokoonpanossa tappiollisessa pronssiottelussa. Hän pelasi Brasilïan kaikissa otteluissa Copa Américassa 2015 ja 2016 sekä MM-kilpailuissa 2018. Hän tuli neljässä ottelussa vaihdosta kentälle Brasilian voittaessa Copa Américan 2019.