David Luiz valittiin ensimmäistä kertaa Brasilian maajoukkueen kokoonpanoon 10. elokuuta 2010 pelattuun ystävyysotteluun Yhdysvaltoja vastaan. Hän teki samaisessa ottelussa myös ensiesiintymisensä uuden päävalmentaja Mano Menezesin alaisuudessa, joka korvasi tehtävässä Dungan vuoden 2010 MM-kilpailuiden jälkeen. Hän kuului Brasilian joukkueeseen Copa Américassa 2011, muttei päässyt pelaamaan. Hän pelasi kaikissa viidessä ottelussa Brasilian voittaessa Maanosaliittojen cupin 2013.