Pada 14 Maret 2012, David Luiz tampil mengesankan pada pertandingan kandang menghadapi Napoli di putaran kedua babak 16 besar Liga Champions UEFA. Ia terpilih sebagai Pemain Terbaik oleh UEFA pada pertandingan tersebut yang dimenangkan Chelsea dengan skor 4–1 setelah perpanjangan waktu. Ia kemudian tampil menghadapi bekas klubnya Benfica di putaran pertama babak perempat final. Chelsea memenangkan pertandingan tandang tersebut dengan skor 1–0 dan David Luiz mendapat sambutan tepuk tangan meriah pada akhir pertandingan dari para pendukung Benfica. Ia tidak dapat tampil pada dua pertandingan babak semifinal menghadapi FC Barcelona karena mengalami cedera otot saat menghadapi pada babak semifinal Piala FA. David Luiz kembali tampil pada pertandingan final menghadapi Bayern München menggantikan kapten tim John Terry yang terkena sanksi larangan main. Ia tampil selama 120 menit pada laga tersebut hingga menjadi salah satu eksekutor penalti di babak adu penalti yang dimenangkan Chelsea dengan skor 4–3.