Piłkarską karierę rozpoczął w klubie São Paulo FC. W barwach tego klubu zadebiutował w 2005 roku i był wówczas częścią drużyny, która wywalczyła Copa Libertadores oraz klubowe mistrzostwo świata. W zespole São Paulo przez 2 lata rozegrał łącznie 12 meczów ligowych.

31 sierpnia 2006 roku, za 3,4 mln funtów, trafił do Anglii. do Arsenalu Londyn. W pierwszej drużynie zadebiutował 24 października, w meczu Pucharu Ligi Angielskiej z West Bromwich Albion, wygranym 2:0. Swój drugi mecz w barwach "Kanonierów" rozegrał także w tych rozgrywkach, w kolejnym meczu z Evertonem. W sezonie 2008/09 coraz częściej wychodzi w podstawowym składzie, stając się jednym z podstawowych zawodników drużyny.

Karierę reprezentacyjną Denílson rozpoczął od występów w młodzieżowej reprezentacji Brazylii w kategorii U-17 i z nią zdobył mistrzostwo Ameryki Południowej w 2005 roku. Obecnie regularnie gra w reprezentacji U-19, której jest kapitanem.