Melo gjorde sin landslagsdebut för Brasilien den 10 februari 2009 mot Italien i en vänskapsmatch som Brasilien vann med 2–0. Han gjorde sitt första landslagsmål i kvalspelet till världsmästerskapet i fotboll 2010 mot Peru, där Brasilien vann med 3–0. I Fifa Confederations Cup 2009, gjorde Melo det första målet i 3–0 vinsten mot . Melo startade i alla fem matcherna och Brasilien vann hela turneringen.