Suas destacadas atuações no Atlético o levaram à Seleção Brasileira, no ano seguinte, a tempo de ser incluído entre os vinte e três convocados por Luiz Felipe Scolari para a Copa do Mundo de 2002. Inicialmente, na reserva, o jovem ganhou espaço nas fases decisivas, principalmente após fazer a jogada do segundo gol brasileiro nas oitavas-de-final, na dura partida contra a Bélgica. Kléberson voltou a se destacar na final: além de novamente ter feito a jogada do segundo gol brasileiro, ele quase abriu o placar no primeiro tempo, arriscando um chute de fora da área que venceu Oliver Kahn, mas bateu no travessão.