Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Vettel dominerade i blötläggningsförhållanden som försenade starten av slutsessionen med nästan en timme.
Världsmästaren var 0,623 sekunder snabbare än Rosberg, med Alonso ytterligare 0,437seks körning.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Red Bulls Mark Webber startar sitt sista F1-race fjärde framför Mercedes Lewis Hamilton och Lotus Romain Grosjean.
Toro Rossos Daniel Ricciardo och Jean-Eric Vergne kvalificerade sjunde och åttonde med Ferrari's Felipe Massa nionde framför Sauber's Nico Hulkenberg.
Kvalificering var blöt hela tiden men ett kraftigt störtregn strax efter den andra knock-out sessionen tvingade arrangörer att fördröja starten av topp 10 skott-out på grund av stående vatten på banan.
Den andra sessionen hade slutat med en hög hastighet krasch av McLaren's Sergio Perez, som förlorade kontrollen efter att köra brett på till kerbs på utgången av Turn Five.
Efter en rad 10-minutersförseningar gav sig alla ut på "extrema" våta däck för att sätta "bankarvarv" innan de kom in för att byta däck när det blev uppenbart att förhållandena var lämpliga för "intermediater". De har ett lägre slitbanedjup, men ger förarna mer fart om det inte finns mycket stående vatten på banan.
Grosjean satsade på att inte ens göra ett varv på "extreme" däck och beslutet till en början lönade sig när han gick snabbast på sin första flygande varv medan hans rivaler var att komma upp i fart.
Det innebar dock att de andra förarna hade förmånen av en torrare spår när de satte sina tider på färska däck och Grosjean ramlade ner ordern.
Först slog Webber honom med bara 0.15seks innan Vettel korsade linjen kort efteråt efter ett scintillerande varv i hans lag-kamratens hjulspår som gjorde honom 1.144seks bort från Australien.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Rosberg tog sedan andra plats, pippning Hamilton strax bakom honom med 0,122seks innan Alonso slog båda.
Med kanten av däcken kunde de flesta inte bli bättre på sina andra flygvarv.
Endast Grosjean, Webber och Rosberg klarade snabbare tider, och bara Rosberg fick en position, hoppbrytande Alonso att gå med Vettel på första raden.
"Vi kom ut och jag blev förvånad över hur mycket av vattnet som gått", sa Vettel. "Jag gick till mellanhanden och fick ett bra varv direkt. Det är bra i dessa förhållanden att få det bra."
Alonso sa att han kände att han kunde ha slagit Rosberg till andra plats.
"Jag har blandade känslor, för att vara ärlig", sa Alonso. "Jag är glad att vara så högt upp på nätet slutligen eftersom vi normalt börjar mellan sjunde och tionde i de sista grands prix, vilket inte är idealiskt.
"Men jag är inte helt nöjd med mitt knä. Jag gick av vid sväng fyra, jag var mycket sent och missade hörnet, det var mycket halt. Jag lämnade åtta tiondelar bakom mig. [Mitt tempo] räckte inte till stolpposition men det räckte till andraplats."
Scot Paul Di Resta kvalificerade 12th i vad som kan vara hans sista lopp för Force India, och möjligen även i F1 för närvarande, eftersom hans framtid är osäker eftersom han ännu inte har radat upp en enhet för 2014.
Di Resta, vars lagkamrat Adrian Sutil kommer att rada upp 16th, sade: "Tyvärr den första uppsättningen däck vi satte på i Q2 inte riktigt slå på. Vi kom in och satte på en ny uppsättning men förhållandena hade redan försämrats.
"Men för att vara P12, jag har bara gjort ungefär sex varv här hela helgen, jag är ganska nöjd med det. I morgon, om det är torrt, kommer det att handla om vem som har gjort det bästa arbetet i simulatorn eftersom det inte har varit någon torrkörning hela helgen."
Perez hamnade 14th, en plats framför lagkamrat Jenson Button, den mexikanska se till att han avslutade säsongen 10-9 framåt på kvalificerande resultat trots McLaren beslutar att släppa honom för danska nybörjare Kevin Magnussen för 2014.
Button sa att laget hade betalat priset för spel på en relativt låg-ned kraft uppsättning i hopp om att vara i bättre form i loppet.
2008 - Felipe Massa - Ferrari
2009 - Rubens Barrichello - Brawn
2010 - Nico Hulkenberg - Williams
2011 - Sebastian Vettel - Red Bull
2012 - Lewis Hamilton - McLaren
"Vi körde låg downforce," Button sa. – Vi kände att det fungerade för oss igår men tyvärr sprang vi inte under de våtaste förhållandena och vi kunde inte få däcktemperatur idag.
"På mitt sista varv var jag 0,3sek upp på Turn 13 och sedan kom jag till Turn 14 och det var en flod som sprang över kretsen. Jag lyfte och det var 0.3seks borta."
Perez sade: " Jag tror att kraschen såg större ut än den var. Smitningen var inte så stor. Jag såg skadorna på framvingen och fjädringen.
Det [vädret] blev värre och jag gjorde mitt bästa för att hitta varvtiden. Bilen uppträdde inte alls. Jag försökte riskera allt jag kunde och det slutade illa.
Teamet fattade beslutet de gjorde. Jag hoppas att jag kan stå här nästa år och säga att lämna McLaren var det bästa som kunde ha hänt mig."
Fullt kvalificerade resultat.
Red Bull's Sebastian Vettel slog Mercedes' Nico Rosberg och Ferrari's Fernando Alonso till pole position vid Brazilian Grand Prix.