OBJETIVO: Identificar os fatores de risco individuais e do contexto da assistência à saúde relacionados à mortalidade infantil (MI) nas capitais brasileiras a partir de uma abordagem multinível. MÉTODOS: Foi realizado um estudo caso-controle com abordagem multinível considerando como casos os óbitos infantis ocorridos em 2012 registrados no SIM e pareados com o SINASC por meio do linkage. Os controles foram obtidos mediante amostra dos nascidos vivos que não foram a óbito nos anos de 2011 e 2012. As variáveis explicativas do nível individual consistiram nas informações disponibilizadas pelo SINASC para cada nascido vivo, sendo utilizadas as informações maternas, relativas à criança e relacionadas à gravidez e ao parto. Adicionalmente, para cada um dos estabelecimentos de nascimento da criança foi construído o Índice de Completude da Qualidade da Assistência Hospitalar Materna e Neonatal. Empregou-se a análise bivariada, sendo elegíveis para a multivariada as variáveis que apresentaram p-valor abaixo de 20%. O GLLAMM foi usado para executar o modelo logístico multinível de dois níveis. RESULTADOS: Os principais determinantes da MI para as cidades analisadas foram os fatores socioeconômicos da mãe (escolaridade, estado civil e ocupação), a realização do pré-natal, o índice de apgar no 1º minuto e fatores biológicos (baixo peso ao nascer, a prematuridade, presença de malformação congênita e raça/cor). CONCLUSÕES: O emprego dos modelos multiníveis permitiu estimar as medidas de associação entre exposições e desfecho considerando que indivíduos inseridos dentro de um mesmo contexto não são independentes. O estudo possibilitou ainda conhecer as disparidades regionais na determinação da MI.