Được triệu tập vào ĐTQG năm 2009, Vargas chơi rất hay ở cấp đội tuyển khi đã có 99 lần ra sân trong màu áo Chile, ghi được 40 bàn thắng. Anh là thành viên trong đội hình của Chile tại World Cup 2014, Copa América 2015, Copa América Centenario 2016, Cúp Liên đoàn các châu lục 2017 và Copa América 2019. Anh là vua phá lưới của cả hai giải đấu mà Chile vô địch, đó là Copa América 2015 và Copa América Centenario.