Op 23 oktober 2014 werd Firmino voor het eerst opgeroepen voor Brazilië voor vriendschappelijke interlands tegen Turkije en Oostenrijk. Op 12 november 2014 debuteerde hij tegen Turkije als invaller voor Luiz Adriano. Brazilië won met 0–4 na doelpunten van Neymar, Willian en een eigen doelpunt van Semih Kaya. Op 18 november 2014 maakte Firmino zijn eerste interlanddoelpunt in het vriendschappelijke treffen met Oostenrijk. Op 26 maart 2015 mocht hij voor het eerst in de basiself starten in de oefeninterland tegen Frankrijk. Hij gaf een assist op Oscar bij het eerste doelpunt voor de Brazilianen. In mei 2015 werd de offensieve middenvelder geselecteerd voor de Copa América 2015. Op 14 juni 2015 speelde hij zijn eerste officiële interland op de Copa América tegen Peru. Op 21 juni 2015 was hij trefzeker in het groepsduel tegen Venezuela. Brazilië werd in de kwartfinale na een strafschoppenreeks uitgeschakeld door Paraguay. Vervolgens werd Firmino een jaar lang niet geselecteerd voor het Braziliaans elftal, hij miste ook de Copa América Centenario. Hij werd door Tite wel opgenomen voor het WK 2018 in Rusland. Op dit toernooi begon Firmino elke wedstrijd op de bank, maar met zijn invalbeurten, waarmee hij Jesus, Paulinho, Coutinho en Willian verving, kwam hij vier keer in actie. In de achtste finale scoorde Firmino twee minuten nadat hij in het veld kwam het beslissende doelpunt tegen Mexico (2–0). In de kwartfinale werd Brazilië uitgeschakeld door België (1–2). Op de Copa América in eigen land een jaar later startte Firmino in elke wedstrijd. Hij was trefzeker in het laatste groepsduel met Peru en in de halve finale tegen Argentinië. In de kwartfinale tegen Paraguay miste Firmino zijn penalty in een strafschoppenreeks, echter trok Brazilië alsnog aan het langste eind. In de finale tegen Peru speelde Firmino 75 minuten mee, Brazilië won met 3–1.