Op 5 september 2011 werd Paulinho voor het eerst opgeroepen voor Brazilië, voor de "Superclásico" tegen Argentinië. Op 2 juni 2013 scoorde hij na 83 minuten de gelijkmaker in een vriendschappelijke interland tegen Engeland (2-2). Op 15 juni 2013 scoorde hij op de openingswedstrijd van de Confederations Cup 2013 het tweede doelpunt voor Brazilië tegen Japan (3-0 winst). Op 26 juni 2013 scoorde hij het winnende doelpunt in de halve finale tegen Uruguay. Het toernooi werd gewonnen door in de finale Spanje met 3-0 te verslaan. Paulinho verscheen aan de start van deze wedstrijd en werd na 88 minuten gewisseld voor Hernanes. Op het wereldkampioenschap voetbal 2014 speelde hij in zes wedstrijden van zijn land, waaronder de met 1–7 verloren halve finale tegen tegen Duitsland en de troostfinale (0–3).