В состав сборной Нилтон впервые был приглашён в 1949 году на чемпионате Южной Америки, куда он поехал дублёром капитана сборной Аугусто, игравшего справа в защите. 17 апреля Нилтон сыграл свой первый матч за национальную команду, выйдя на замену во втором тайме матча со сборной Колумбии, в котором бразильцы победили 5:0. Этот матч стал единственным, проведённым Нилтоном на турнире, в котором сборная Бразилии завоевала свой третий титул чемпиона Южной Америки, при этом игра с колумбийцами стал единственной в первенстве, в которой команда Нилтона Сантоса не пропускала голов. После этого Сантос долгое время не вызывался в стан национальной команды. Причиной этого стало отношение Флавио Косты, главного тренера команды, который по мнению футболиста не любил его. Однажды он потребовал у Нилтона не применять дриблинг; на это защитник ответил: «Я не потеряю мяч, он всегда будет слушаться меня, будет делать то, что я хочу».