2002 und 2010 nahm er mit der uruguayischen Auswahl an der Weltmeisterschaft teil. Beim letztgenannten Turnier verwandelte er für Uruguay im Viertelfinale gegen Ghana am 2. Juli 2010 in Johannesburg den entscheidenden Elfmeter zum 5:3-Endstand mit einem Lupfer in die Mitte des Tores, ähnlich dem von Zinédine Zidane im Finale der WM 2006. Abreu hatte schon mehrfach auf diese Weise Elfmeter verwandelt, etwa im April 2010 im Finale der Campeonato Carioca mit Botafogo FR oder im Halbfinale der Copa América 2007 gegen Brasilien. 2011 gewann er mit Uruguay die Copa América.