Bei der Junioren-Weltmeisterschaft 2007 stand David Luiz in zwei Vorrundenpartien in der Startaufstellung. Beim Achtelfinalaus gegen Spanien kam er nicht zum Einsatz. Nach der für die brasilianische A-Nationalmannschaft enttäuschend verlaufenden WM in Südafrika, kam David Luiz im ersten Freundschaftsspiel nach der Weltmeisterschaft unter Neu-Trainer Mano Menezes zu seinem ersten Einsatz in dieser Mannschaft. In der Freundschaftspartie gegen die USA bot ihn Menezes in der Startformation auf. Seither wird der Verteidiger regelmäßig ins Aufgebot berufen. Im Sommer 2011 wurde er für die Copa América in Argentinien nominiert.