Melo debuterede på det brasilianske landshold i 2-0 sejren over Italien i en venskabskamp den 10. maj 2009. Han scorede første gang i en VM-kvalifikationskamp mod Peru. Han scorede også åbningsmålet for Brasilien til Confederations Cup 2009 med mod USA, som de også besejrede i finalen. Melo var for mange en kuriøs inkludering i træner Carlos Dungas startopstilling, men nødvendig, da Dunga favoriserede en startopstilling med to defensive midtbanespillere. På landsholdet har Melo dannet defensivt midtbanepar med Gilberto Silva med stor succes. Han blev udtaget til VM i 2010 i Sydafrika.