Cavani pelasi alle 20-vuotiaiden maajoukkueessa 14 ottelua, joissa teki 11 maalia. Hän pelasi Uruguayn kaikki neljä ottelua alle 20-vuotiaiden MM-kilpailuissa 2007. Hän debytoi Uruguayn maajoukkueessa helmikuussa 2008 ystävyysottelussa Kolumbiaa vastaan, ja teki ottelussa maalin. hän pelasi seitsemässä ottelussa, tosin vain kerran avauskokoonpanossa. Etelä-Afrikan MM-kilpailuissa hän pelasi kuusi ottelua avauskokoonopanossa ja teki yhden maalin, 2–3-tappioon päättyneessä pronssiottelussa Saksaa vastaan.