Marcelo skåret i sin debut for mot . Han har deltatt for Brasil to ganger i de olympiske lekene; i 2008 og 2012 med henholdsvis bronse og sølv som resultat. Han ble også tatt ut i den brasilianske troppen til VM i fotball 2014 på hjemmebane. I VMs åpningskamp mellom Brasil og gjorde Marcelo selvmål og ga Kroatia ledelsen, men Brasil snudde kampen og vant 3–1.