Gilberto Silva kam erst acht Monate vor der Weltmeisterschaft 2002 zu seinem Debüt in der brasilianischen Nationalmannschaft. So feierte er seine Premiere im Nationaltrikot im WM-Qualifikationsspiel am 7. November 2001 gegen Bolivien. Bei der 1:3-Niederlage stand der Mittelfeldspieler in der Startformation und wurde in der 62. Minute für Vampeta ausgewechselt. Anschließend wurde er von Trainer Luiz Felipe Scolari zum Weltmeisterschafts-Turnier ins Aufgebot der Brasilianer berufen. Durch die Verletzung des Stammspielers Emerson rückte Gilberto während des Wettbewerbs zu einer der tragenden Säulen des Teams auf. Neben Kapitän Cafu, Lúcio und Torhüter Marcos war der Defensivspieler der einzige Akteur, der keine Minute des Turniers verpasste. Schließlich sicherte sich das Team den Sieg und wurde Weltmeister 2002. Auch an den folgenden Weltmeisterschaften 2006 in Deutschland und 2010 in Südafrika, bei denen Brasilien jeweils im Viertelfinale ausschied, nahm Gilberto teil. Im Juli 2007 führte er als Kapitän der Brasilianer die Mannschaft zum Sieg der Copa América.