In der Brasilianischen Nationalmannschaft bestritt Thiagus Petrus, Kapitän der "Seleção", bisher 152 Länderspiele, in denen er 228 Tore erzielte. Bei der Handball-Panamerikameisterschaft der Männer gewann er 2016 Gold sowie 2012 und 2018 Silber. Thiagus Petrus nahm auch an den Olympischen Spielen 2016 teil und erreichte den siebten Platz. Bei den Weltmeisterschaften 2011 (21. Rang), 2013 (13. Rang), 2015 (16. Rang), 2017 (16. Rang) und 2019 (9. Rang) war er ebenfalls fester Bestandteil. Mit Brasilien nahm er an den Olympischen Spielen in Tokio teil.