Luís Fabiano står (pr. 24. marts 2018) noteret for 45 kampe og 28 scoringer for Brasiliens landshold, som han debuterede for den 11. juni 2003 i et opgør mod Nigeria. Han var i 2004 med til at vinde Copa América med sit land, ligesom han har deltaget i Confederations Cup i både Confederations Cup 2003 og Confederations Cup 2009. Ved sidstnævnte blev Fabiano topscorer med 5 mål i ligeså mange kampe, da Brasilien tog titlen foran snuden på USA med en 3-2 sejr i finalen. Han blev sidenhen også udtaget til VM i 2010 i Sydafrika.