Алонсо дебютировал за сборную Испании 30 апреля 2003 года в возрасте 21 года в товарищеском матче со сборной Эквадора, в котором испанцы взяли вверх со счётом 4:0. За время выступлений в сборной Испании, Алонсо выиграл Евро-2008, Евро-2012 и ЧМ-2010, он также представлял свою страну на Евро-2004 и ЧМ-2006. 23 июня 2012 года Алонсо сыграл свой 100-й матч за сборную Испанию в четвертьфинале Евро-2012 против Франции: он отпраздновал это событие, забив 2 мяча, и вывел Испанию в полуфинал.