W listopadzie 2011 obrońca debiutował w reprezentacji do lat 18, a w lutym kolejnego roku w zespole do lat 19. Z drużyną narodową awansował na Euro U-19, które odbywało się w Estonii. Podczas turnieju zagrał we wszystkich meczach grupowych swojego zespołu, jednak Portugalczycy nie zdołali awansować dalej. Po imprezie nadal uczestniczył w meczach kadry U-19, biorąc tym samym udział w kwalifikacjach do kolejnej edycji mistrzostw.
Jednocześnie w marcu 2013 Cancelo debiutował w reprezentacji U-20. Na początku czerwca otrzymał powołanie na Mistrzostwa Świata U-20 w Turcji. W trakcie turnieju wystąpił w dwóch meczach swojej reprezentacji, jednak Portugalia odpadła w 1/8 finału po porażce z Ghaną. Natomiast w lipcu wziął udział w rozgrywanych na Litwie Mistrzostwach Europy U-19.
W dorosłej reprezentacji zadebiutował 1 września 2016 w wygranym 5:0 meczu z Gibraltarem, w którym strzelił gola.