David Luiz là nhân tố quan trọng trong đội hình U-20 Brasil tham dự Giải U-20 Thế giới 2007 tại Canada, nơi anh thi đấu ở vị trí trung vệ và cả hậu vệ cánh trái.[17] Anh được triệu tập vào đội tuyển Brasil lần đầu tiên chuẩn bị cho trận giao hữu với đội tuyển Mỹ vào tháng 8 năm 2010.[50] Luiz có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển Brasil trong chiến thắng 2-0 trước đội tuyển Mỹ tại New Jersey ngày 10 tháng 8.[51]

Luiz có tên trong đội hình đội tuyển Brasil tham dự Copa América 2011 nhưng không thể ra sân do chấn thương đầu gối.[25] Trong trận đấu giao hữu vào tháng 10 năm 2011 với Mexico, anh đã có một pha phản lưới nhà nhưng chung cuộc Brasil vẫn giành chiến thắng 2-1. Ngày 7 tháng 9 năm 2012, David Luiz lần đầu tiên đeo băng đội trưởng của đội tuyển Brasil trong trận giao hữu với Nam Phi tại São Paulo.[52]

Ngày 2 tháng 6, David Luiz chính thức có tên trong đội hình đội tuyển Brasil tham dự World Cup 2014 tại quê nhà.[53] Trong vòng chung kết World Cup 2014, sau trận thua kỷ lục 1-7 trước đội tuyển Đức, David Luiz và thủ môn Júlio César đã gửi lời xin lỗi đến người dân Brasil.[54][55]