2011 wurde er für zwei Freundschaftsspiele der brasilianischen Nationalmannschaft unter Mano Menezes nominiert. Bei der WM 2014 in Brasilien stand Willian im Kader der Seleção und wurde mit ihr Vierter. Bei der historischen 1:7-Niederlage im Halbfinale gegen Deutschland wurde er in der 69. Minute für Fred eingewechselt. Für die Copa América 2019 wurde Willian als Ersatzspieler für den verletzten Neymar nachnominiert. Mit der Mannschaft konnte er den Titel gewinnen. Dabei wurde er in vier Spielen eingewechselt (ein Tor).