Brezilya millî takımı ile 2011 Copa América ve 2013 FIFA Konfederasyonlar Kupası, 2014 FIFA Dünya Kupası kadrolarında yer almıştır. 2014 FIFA Dünya Kupası ikinci tur maçında Şili'ye karşı oynanan maçın 18. dakikasında Neymar'ın sol kanattan kullandığı köşe vuruşunda Thiago Silva'nın kafasından kale arkasına seken topa hareketlenen David Luiz, millî takım kariyerindeki ilk golüne imza attı.