Nilmar maakte zijn debuut voor Brazilië tijdens de Gold Cup van 2003. Tijdens dit toernooi speelde hij drie duels en werd Brazilië pas uitgeschakeld in de finale. Op 18 augustus 2004 maakte hij zijn eerste interlandgoal tegen Haïti. Vervolgens werd hij vier jaar lang niet geselecteerd totdat Dunga hem in 2008 weer opriep voor de interlands tegen Chili en Bolivia. Vervolgens werd hij ook geselecteerd voor de Confederations Cup 2009 in Zuid-Afrika.