Marcos Senna nahm 2006 zusätzlich zur brasilianischen die spanische Staatsbürgerschaft an, sodass er mit der spanischen Fußballnationalmannschaft an der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 teilnehmen konnte. Senna nahm unter Trainer Luis Aragonés eine wichtige Rolle für die spanische Nationalelf ein, da er die physisch starke Absicherung der eher schmächtigen offensiv ausgerichteten Xavi, Andrés Iniesta, David Silva und Cesc Fàbregas darstellte. Senna gewann mit der "Selección" die EURO 2008. Für die Fußball-Weltmeisterschaft 2010 in Südafrika wurde er nicht nominiert.