Osorio maakte zijn debuut in het Mexicaans voetbalelftal op 12 juli 2003 in de eerste groepswedstrijd op de CONCACAF Gold Cup 2003 tegen Brazilië. Mexico won met 1–0 door een doelpunt van Jared Borgetti. Ook in de finale van het toernooi, wederom tegen de Brazilianen, kwam Osorio in actie. Met zijn land won hij, nadat een golden goal in de 97ste minuut de doorslag had gegeven. Een jaar later maakte Osorio in een wedstrijd op de Copa América 2004 tegen Uruguay zijn enige interlanddoelpunt. De wedstrijd eindigde in een 2–2 gelijkspel. Door de Gold Cup in 2003 te winnen, kwalificeerde Mexico zich voor de FIFA Confederations Cup 2005, die plaatsvond in Duitsland. Door zijn groep te winnen plaatste het elftal zich voor de halve finale, waarin Argentinië de tegenstander was. Deze wedstrijd, gespeeld op 26 juni 2005, eindigde in reguliere speeltijd in een 1–1 gelijkspel. In de strafschoppenserie miste Osorio de tiende strafschop, waarna de Argentijn Esteban Cambiasso wel raak schoot en zo Mexico elimineerde. Een jaar later behoorde Osorio tot de Mexicaanse selectie voor het wereldkampioenschap voetbal 2006. Hij speelde mee in alle vier wedstrijden, waaronder de van Argentinië verloren achtste finale. Ook in 2010 was Osorio actief op het wereldkampioenschap, in Zuid-Afrika; wederom speelde hij mee in alle vier wedstrijden en wederom verloor Mexico in de achtste finale van Argentinië. In 2011 speelde Osorio op 28 mei 2011 zijn laatste interland, een vriendschappelijk duel tegen Ecuador (1–1 gelijkspel). Na 68 minuten werd hij vervangen door Efraín Juárez, met wie hij later samen zou spelen bij Monterrey.