Thiago Silva ble tatt ut til den brasilianske U23-troppen til Sommer-OL 2008, hvor Brasil endte på bronseplass, men allerede før OL startet fikk han spille i vennskapskamper mot henholdsvis Singapore og Vietnam. Han fikk sin debut for den 10. februar 2010 i vennskapskampen mot på Emirates Stadium. I midten av mai 2010 ble han tatt ut til VM i fotball 2010 av landslagstrener Dunga som én av 23 spillere. Han deltok igjen i Sommer-OL 2012 som kaptein og en av tre spillere over 23 år, og vant sølv med det brasilianske laget. Han ble igjen tatt ut som kaptein til Fotball-VM 2014 på hjemmebane i Brasil.