Após participar de toda a fase preparatória para os Jogos Olímpicos Rio 2016, Luan foi confirmado como um dos 18 selecionados pelo técnico Rogério Micale para a representar a Seleção Brasileira na competição. Começou na reserva do trio Neymar, Gabriel Barbosa e Gabriel Jesus mas, durante a competição, ganhou a vaga no meio-campo de Felipe Anderson. Terminou o torneio, em que a Seleção Brasileira conquistou a medalha de ouro, como titular absoluto e um dos destaques do time campeão, principalmente pelos três gols e duas assistências em cinco jogos, mas também pelo rápido entrosamento com Neymar.