Erste internationale Erfahrungen sammelte Flávia de Lima im Jahr 2012, als sie bei den Juniorenweltmeisterschaften in Barcelona im 800-Meter-Lauf das Halbfinale erreichte und dort mit 2:07,03 min ausschied. Im Jahr darauf gewann sie bei den Südamerikameisterschaften in Cartagena in 2:02,94 min die Silbermedaille hinter der Kolumbianerin Rosibel García. 2014 siegte sie dann in 4:21,05 min im 1500-Meter-Lauf bei den U23-Südamerikameisterschaften in Montevideo und gewann auch mit der brasilianischen 4-mal-400-Meter-Staffel in 3:42,07 min die Goldmedaille. Im Jahr darauf gewann sie bei den Südamerikameisterschaften in Lima in 2:02,05 min erneut die Silbermedaille über 800 Meter, diesmal hinter der Uruguayerin Déborah Rodríguez und über 1500 Meter musste sie sich in 4:13,58 min nur der Kolumbianerin Muriel Coneo geschlagen geben. Anschließend startete sie bei den Panamerikanischen Spielen in Toronto und gewann dort in 2:00,40 min die Bronzemedaille über 800 Meter hinter der Kanadierin Melissa Bishop-Nriagu und Alysia Montaño aus den Vereinigten Staaten. Zudem belegte sie über 1500 Meter in 4:16,53 min den fünften Platz und schied im Staffelbewerb mit 3:34,97 min im Vorlauf aus. Anschließend nahm sie über 800 Meter an den Weltmeisterschaften in Peking teil, schied dort aber mit 2:01,76 min in der ersten Runde aus. 2016 vertrat sie ihr Land bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro und schied dort mit 2:03,78 min im Vorlauf über 800 Meter aus.