Haar internationale doorbraak kende Marta in 2002 op het WK onder 20 in Canada. Met zeven doelpunten had ze een belangrijk aandeel in de vierde plaats van Brazilië op deze wereldbeker. In 2003 nam Marta met Brazilië deel aan het WK in de Verenigde Staten. Ze scoorde driemaal op dit toernooi. In de groepsfase benutte de Braziliaanse een strafschop tegen Zuid-Korea en scoorde ze tegen Noorwegen. In de verloren kwartfinale tegen Zweden (1-2) maakte Marta vanuit een strafschop het enige Braziliaanse doelpunt. Met Brazilië won Marta in 2004 de zilveren medaille op de Olympische Spelen van Athene. In datzelfde jaar won ze de "Gouden Bal" als beste speler van het WK onder 20 in Thailand. Brazilië werd op dit toernooi vierde. Marta maakte op het toernooi drie doelpunten tegen respectievelijk China en Nigeria in de groepsronde en Rusland in de kwartfinale. In 2007 haalde Marta met Brazilië de finale van het WK, waarin van Duitsland werd verloren met 2-0. Bij een 1-0 stand voor Duitsland miste Marta halfweg de tweede helft een penalty. Ze ontving de "Gouden Schoen" voor topscorer van het toernooi en de "Gouden Bal" voor beste speelster van het toernooi.