במוקדמות מונדיאל 2002 לוסיו תפס מקום של קבע בהרכב נבחרת ברזיל, וגם במונדיאל 2002 עצמו לוסיו לא החמיץ ולו דקה אחת. לוסיו הציג יכולת טובה מאוד, אך ביצע טעות קשה במשחק מול אנגליה ברבע הגמר, שם איבד כדור שאותו תרגם מייקל אואן לשער יתרון לאנגלים. עם זאת, ברזיל הפכה את התוצאה וניצחה 2-1. לאחר המשחק, הגן מאמן נבחרת ברזיל לואיס פליפה סקולארי על לוסיו, ואמר שלמעט הטעות הזו הוא לא ביצע טעויות נוספות. לוסיו זכה במונדיאל זה עם נבחרת ברזיל לאחר ניצחון 2-0 בגמר מונדיאל 2002 על גרמניה.