Tại Cúp bóng đá Nam Mỹ 2015, Willian có mặt trong đội hinh xuất phát ở cả bốn trận đấu của đội tuyển Brasil và có một đường chuyền thành bàn trong trận thắng 2-1 trước Venezuela tại vòng bảng. Tuy nhiên, đội tuyển Brasil đã phải dừng bước ở tứ kết sau khi để thua Paraguay ở loạt sút luân lưu 11m sau khi hai đội hòa 0-0 sau 90 phút thi đấu chính thức. Tại lượt trận thứ hai vòng loại World Cup 2018, Willian đã lập cú đúp giúp Brasil đánh bại Venezuela 3-1.