Walter Vílchez maakte zijn debuut in het Peruviaans voetbalelftal op 23 juli 2001 tijdens de kwartfinale van de Copa América tegen Colombia. In de 65e minuut verving hij Luis Hernández. Drie jaar lang werd hij niet in de nationale selectie opgenomen, tot de volgende editie van het Zuid-Amerikaanse voetbaltoernooi. In een met 3-1 gewonnen vriendschappelijke interland op 17 augustus 2005 tegen Chili maakte Vílchez zijn eerste interlanddoelpunt. In de 38e minuut opende hij de score namens Peru.