Na seleção brasileira, disputou no total 45 partidas internacionais, nas quais marcou 40 gols. Participou das Copas do Mundo de 1966 e 1970, tornando-se campeão neste último ano, no qual fez parte de um dos melhores ataques de todos os tempos, ao lado de Jairzinho, Gerson, Pelé e Rivelino. Em 1971, foi considerado o melhor jogador da América, recebendo o troféu Bola de Ouro, até então restrito ao âmbito do futebol europeu, que, neste ano, criou a versão destinada a jogadores da América.
Precisou afastar-se da atividade de jogador com apenas 26 anos. Em 1969, sofreu uma bolada no rosto que provocou um deslocamento de retina. Foi operado com sucesso, mas em 1973 sofreu uma nova lesão na mesma vista e, após cinco intervenções cirúrgicas, teve de abandonar a prática do esporte, passando a dedicar-se ao estudo da oftalmologia. Centroavante de grande categoria, Tostão ficou conhecido em sua época como “o Pelé branco”.