مارسلو از سال ۲۰۰۶ و برای اولین بار توسط کارلوس آلبرتو پریرا به تیم ملی دعوت شد. از سال ۲۰۰۷ و با روی کار آمدن دونگا و اختلاف‌هایی که بین او و مارسلو ایجاد شد، مارسلو در اوج آمادگی رقابت‌های مهمی نظیر: کوپا آمریکا ۲۰۰۷، جام کنفدراسیون‌ها ۲۰۰۹، جام جهانی ۲۰۱۰، و کوپا آمریکای ۲۰۱۱، ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶ را از دست داد و به تیم ملی دعوت نشد. با روکار آمدن اسکولاری بین سالهای ۲۰۱۲ تا ۲۰۱۴ و تیته از سال ۲۰۱۶ باز مارسلو به تیم ملی دعوت شد. سرانجام مارسلو بعد از ناکامی برزیل در جام جهانی فوتبال ۲۰۱۸ و عدم صعود به نیمه نهایی از بازی‌های ملی خداحافظی کرد.