Für die U21-Nationalmannschaft bestritt er 23 Länderspiele und erzielte sechs Tore. Er debütierte am 2. September 2010 in Alcoy beim 2:1-Sieg gegen die Auswahl der Niederlande mit Einwechslung für Rubén Pérez in der 46. Minute. Sein erstes von sechs Toren erzielte er am 25. Juni 2011 in Århus beim 2:0-Sieg gegen die Schweiz mit dem Treffer zum Endstand mittels Freistoß aus 40 Metern in der 81. Minute – im Finale der Europameisterschaft in Dänemark. Thiago wurde zum besten Spieler des Turniers gewählt. Zwei Jahre später verteidigte er mit der Auswahlmannschaft den in Israel erneut und wurde wiederum zum besten Spieler des Turniers gewählt.