Fantastyczny sezon 2011/2012 spowodował, że trener reprezentacji Brazylii, Mano Menezes, powołał Marcelo na Igrzyska Olimpijskie w Londynie. Zawodnik Realu był jednym z trzech zawodników, którzy przekroczyli barierę 23. roku życia. Młodzi Brazylijczycy kroczyli od zwycięstwa do zwycięstwa, jednak jedyna porażka w turnieju przyszła w jego finale. Pogromcami drużyny Menezesa byli Meksykanie, którzy w walce o złoty medal wygrali 2:1. Ostatecznie wychowanek Fluminense musiał zadowolić się jedynie srebrnym medalem.
W 2014 został powołany przez Luiza Felipe Scolariego na Mistrzostwa Świata. W meczu otwarcia przeciwko Chorwacji w jedenastej minucie spotkania pokonał własnego bramkarza – Júlio Césara. Brazylia odrobiła straty i wygrała 3:1. Ostatecznie w turnieju Brazylia zajęła 4. miejsce.
Statystyki kariery Stan na 28 maja 2022.
Klub Sezon Liga Puchar krajowy Puchar międzynarodowyWystępy w Lidze Mistrzów UEFA.