Kariera reprezentacyjna Osobny rozdział stanowią występy Marcelo w reprezentacji Brazylii. W 2005 roku wystąpił na Mistrzostwach Świata U-17, gdzie wraz z kolegami z drużyny narodowej sięgnął po srebrny medal. Canarinhos rozgrywali wspaniały turniej, a Marcelo był podporą reprezentacji. Do wielkiego sukcesu zabrakło niewiele, jednak w finałowym starciu zostali zmiażdżeni przez Meksyk 0-3. Dwa lata później, na Mundialu U-20, ekipa z Ameryki Południowej jechała w roli jednego z faworytów. Młodzi piłkarze jednak zawiedli na całej linii, odpadając już w fazie grupowej.
W 2008, Marcelo odniósł swój pierwszy sukces w reprezentacyjnej karierze, zdobywając brązowy medal na Igrzyskach Olimpijskich w Pekinie.
W dorosłej reprezentacji zadebiutował 5 października 2006 roku, w pojedynku z Walią. Marcelo nie mógł wymarzyć sobie lepszego debiutu, ponieważ w swoim pierwszym występie w seniorskiej kadrze, zdobył piękną bramkę, a Canarinhos wygrali 2:0.
26 lipca 2011 dostał hiszpańskie obywatelstwo. Dzięki temu, grając w Europie nie zajmował miejsca przeznaczonego dla graczy spoza tego kontynentu.