Mit der brasilianischen Nationalmannschaft nahm Varejão an den Weltmeisterschaften 2002, wo er mit seinem zehn Jahre älteren Bruder Sandro Varejão zusammenspielte, 2006, 2010 und 2014 teil. Bei der WM 2006 fügte er dem Griechen Nikolaos Zisis durch einen Ellenbogencheck eine dreifache Fraktur des Jochbeins zu. Seine bislang größten Nationalmannschafts-Erfolge sind die Gewinne der Amerikameisterschaften 2005 und 2009. 2012 nahm Varejão erstmals an Olympischen Spielen teil.