Willian ra mắt trong màu áo đội tuyển U-20 Brasil năm 2007 tại giải vô địch bóng đá trẻ Nam Mỹ và có trận ra mắt gặp Chile. Brasil đã vô địch giải đấu đó.[87] Cùng năm đó, anh tiếp tục được dự Giải vô địch bóng đá U-20 thế giới tại Canada nhưng Brasil bị loại ở tứ kết bởi U-20 Tây Ban Nha. Anh chính thức được gọi vào đội tuyển Brasil năm 2011 trong trận giao hữu gặp Gabon.[88] Ngày 16 tháng 11 năm 2013, anh có bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển quốc gia trong chiến thắng 5-0 trước Honduras tại Miami, Florida.[89]

Willian có tên trong danh sách chính thức 23 cầu thủ Brasil tham dự World Cup 2014 ngay tại quê hương.[90] Tại giải đấu này, anh được ra sân 5/7 trận đấu của đội tuyển Brasil (trong đó có 4 lần vào sân từ ghế dự bị). Tại trận đấu vòng 16 đội với Chile, anh đá hỏng một quả phạt đền trong loạt sút luân lưu nhưng may mắn cho anh là Brasil vẫn giành thắng lợi chung cuộc 3-2.[91]

Tại Cúp bóng đá Nam Mỹ 2015, Willian có mặt trong đội hinh xuất phát ở cả bốn trận đấu của đội tuyển Brasil và có một đường chuyền thành bàn trong trận thắng 2-1 trước Venezuela tại vòng bảng.[92] Tuy nhiên, đội tuyển Brasil đã phải dừng bước ở tứ kết sau khi để thua Paraguay ở loạt sút luân lưu 11m sau khi hai đội hòa 0-0 sau 90 phút thi đấu chính thức. Tại lượt trận thứ hai vòng loại World Cup 2018, Willian đã lập cú đúp giúp Brasil đánh bại Venezuela 3-1.[93]

Mùa hè năm 2016, Willian được triệu tập vào đội hình tham dự Copa América Centenario tại Hoa Kỳ[94], nơi mà Brasil đã bị loại chỉ ngay sau vòng bảng và Willian đã góp mặt trong đội hình chính thức ở cả ba trận đấu.

Tại Copa América 2019 tổ chức tại quê nhà Brasil, Willian được triệu tập vào phút chót để thay cho tiền đạo Neymar bị chấn thương.[95] Anh đã ghi bàn thắng cuối cùng giúp các vũ công Samba thắng đậm 5-0 trước Peru ở lượt trận cuối bảng A, qua đó giúp Brasil có được 7 điểm, đứng đầu bảng A và góp mặt ở tứ kết.[96] Đội tuyển Brasil sau đó lọt vào trận chung kết và giành chức vô địch sau khi vượt qua Peru với tỉ số 3-1.