Na de terugkeer van de Confederations Cup in de zomer van 2009 kreeg Lucio van de nieuwe coach Louis van Gaal te horen dat hij hem misschien niet meer nodig zou hebben. Van Gaal wilde graag met een links- en een rechtsbenige speler in het hart van de defensie gaan spelen en daardoor zou de Braziliaan grote concurrentie ondervinden van onder andere Breno, Van Buyten en Demichelis. Lúcio verklaarde dat wanneer hij niet meer in beeld zou zijn bij de nieuwe trainer, hij op zoek zou gaan naar een andere werkgever en geen minuut meer te spelen voor Bayern München. Aanvankelijk leek er sprake te zijn van een overgang naar Manchester City maar Lucio maakte uiteindelijk in juli de overstap naar Internazionale. De verdediger tekende een contract voor drie jaar bij de Milanezen die op hun beurt naar verluidt ongeveer 10 miljoen euro betaalden aan "Der Rekordmeister". In het eerste seizoen won Lúcio gelijk de treble. Tijdens zijn tweede seizoen was de Braziliaan ook onomstreden in het hart van de defensie maar werd alleen de Coppa Italia geprolongeerd. In augustus 2011 verlengde de 33-jarige Lúcio zijn aflopende contract met twee seizoenen. Op 29 juni 2012 maakte Lúcio en Internazionale bekend met wederzijdse instemming het contract voortijdig te beëindigen.