Lucas là thành viên trong đội hình chính thức của đội tuyển U-20 Brasil. Tháng 2/2011, Lucas thi đấu cho U20 Brasil thuộc giải vô địch U-20 Nam Mỹ, nơi anh ghi 1 hat-trick trong chiến thắng 6-0 trước U-20 Uruguay trong trận chung kết.

Lucas xuất hiện lần đầu tiên ở đấu trường quốc tế cấp quốc gia khi chơi cho đội tuyển Brasil trong trận giao hữu với Scotland ngày 27/3/2011.

Ngày 28/9/2011, Lucas lần đầu tiên ghi bàn cho đội tuyển quốc gia trong trận đấu với Argentina.

Copa América 2011

Lucas được huấn luyện viên Mano Menezes điền tên trong đội hình tham dự giải tranh Cúp bóng đá Nam Mỹ năm 2011 tại Argentina. Lucas xuất hiện trong trận đấu vòng bảng với Paraguay và Ecuador đều từ sự thay đổi người từ băng ghế dự bị. Lucas không có trong danh sách cầu thủ đá hỏng Penalty trong trận đấu mà Brasil đã bị loại bởi đối thủ trực tiếp là Paraguay ở tứ kết.

Olympics 2012

Lucas đã được lựa chọn để cùng Đội tuyển bóng đá Olympic Brasil tham gia Olympic 2012 tại London cùng với đồng đội câu lạc bộ là Casemiro và Bruno Uvini. Tại kỳ thế vận hội này, đội tuyển Olympic Brasil mặc dù đã lọt vào đến chung kết nhưng cuối cùng phải chịu thất bại 1-2 trước Đội tuyển bóng đá Olympic Mexico và đành chấp nhận tấm huy chương bạc.