Thiago Silva được Dunga gọi vào đội tuyển Olympic Brasil cùng với Ronaldinho. Anh cũng thi đấu trong loạt trận giao hữu trước thềm Olympic với Singapore và Việt Nam. Anh chơi trận đầu tiên cho đội tuyển quốc gia trong trận đấu giao hữu với Italy tại Emirates vào ngày 10 tháng 2 năm 2009.

Giải đấu quốc tế đầu tiên của anh là World Cup 2010 diễn ra tại Nam Phi. Tại giải đấu này, anh không ghi được bàn thắng nhưng đã có những pha kiến tạo thành bàn để giúp Brasil lọt vào tứ kết và thua chung cuộc 1-2 trước Hà Lan.

Tại Copa América 2011 diễn ra tại Argentina, Thiago Silva góp mặt trong cả bốn trận đấu chính thức giải đấu, lọt vào vòng tứ kết nhưng để thua 0-2 trước Paraguay ở loạt sút penalty sau khi hai đội hòa 0-0 sau 120 phút thi đấu chính thức và trở thành cựu vô địch của Copa América, trong đó Thiago Silva đá hỏng quả penalty thứ 3.

Tại World Cup 2014 diễn ra trên sân nhà, anh chỉ có được một bàn thắng trong trận thắng 2-1 trước Colombia ở vòng tứ kết. Đội tuyển Brasil kết thúc giải đấu với vị trí thứ tư chung cuộc.

Anh tiếp tục được góp mặt tại Copa América 2015 diễn ra tại Chile và cũng lặp tại thành tích tương tự như Copa América 4 năm về trước.

Tại World Cup 2018 diễn ra tại Nga, anh cũng chỉ có được một bàn thắng trong trận thắng 2-0 trước Serbia ở vòng đấu bảng. Đội tuyển Brasil sau đó lọt vào tứ kết nhưng để thua chung cuộc 1-2 trước Bỉ.