Brasilian jalkapallomaajoukkueessa Firmino debytoi marraskuussa 2014 Turkkia vastaan. Avausmaali maajoukkueessa syntyi muutama päivä myöhemmin Itävallan verkkoon. Toukokuussa 2015 maajoukkueen päävalmentaja Dunga nimesi Firminon Brasilian joukkueeseen vuoden 2015 Copa Américaan. Copa Américassa Firmino pelasi neljässä ottelussa tehden yhden maalin. MM-kilpailuissa 2018 hän pelasi neljässä ottelussa, kaikissa vaihtopelaajana, ja teki maalin ensimmäisen pudotuspelikierroksen ottelussa Meksikoa vastaan.