Marquinhos wäre für die portugiesische Nationalmannschaft spielberechtigt gewesen. Im Oktober 2013 später wurde er von Trainer Luiz Felipe Scolari für den Kader für zwei Testspiele im November in den Kader der brasilianischen Nationalmannschaft berufen. Am 17. November 2013 gab Marquinhos beim 5:0-Sieg in Miami gegen Honduras sein Debüt, als er kurz vor Schluss für David Luiz eingewechselt wurde. Im Aufgebot zur WM 2014 in Brasilien fand er keine Berücksichtigung. Im September 2014 kehrte Marquinhos unter dem neuen Trainer Carlos Dunga in die Seleção zurück. Anfang Mai 2015 wurde er in den Kader für die Copa América in Chile berufen. Im Freundschaftsspiel gegen die Auswahl von El Salvador am 11. September 2018 in seinem 29. Spiel das erste Tor für die Nationalmannschaft. Er erzielte in der 90. Minute den Treffer zum 5:0-Endstand. Auch bei der Copa América 2019 stand Marquinhos im Kader. Im Zuge des Titelgewinns der Mannschaft stand er in allen sechs Spielen auf dem Platz.