In 2000 begon Lúcio in de spits (de positie waar hij in zijn jeugd ook vaak had gespeeld) aan het voetbaltoernooi van de Olympische Zomerspelen in Sydney. Uiteindelijk eindigde het Olympische team als vierde, door in de troostfinale met 0-2 van Duitsland te verliezen. Toch kwam al snel het succes; in 2002 behoorde hij tot het elftal dat in Zuid-Korea en Japan het WK voetbal zou winnen. Tijdens dit toernooi was hij overigens een van de drie spelers die alle 630 minuten van het kampioenschap hadden gespeeld, de anderen waren keeper Marcos en rechtsback Cafú.