Gustavo werd in de herfst van 2011 opgeroepen door toenmalig bondscoach Mano Menezes voor een vriendschappelijke interland tegen Duitsland. Hij maakte zijn debuut op 10 augustus in de 86e minuut. In 2013 werd hij opgenomen in de selectie voor de FIFA Confederations Cup, die werd gewonnen door in de finale Spanje met 3–0 te verslaan. Gustavo speelde in alle wedstrijden. Gustavo werd ook opgenomen in de selectie voor het WK in eigen land. Als middenvelder speelde hij naast Paulinho in de openingswedstrijd van het toernooi tegen Kroatië (3–1 winst). In zes van de zeven wedstrijden van Brazilië op het wereldkampioenschap kwam Gustavo in actie, waaronder ook de met 1–7 verloren halve finale tegen latere kampioen Duitsland en de troostfinale, die op 12 juli 2014 met 0–3 werd verloren van Nederland.