Avec la sélection nationale, il connaît moins de réussite. Il fait ses débuts sous le maillot bleu le face à la Belgique. Sa première participation à une compétition internationale a lieu au Brésil pour le championnat du monde 1963 où la France termine à la cinquième place. La même saison, la France termine treizième du championnat d'Europe. Alain Gilles dispute quatre autres championnats d'Europe, en 1965, 1967, 1971 et 1977, avec pour meilleur résultat une neuvième place en 1965. Il dispute sa dernière rencontre sous le maillot bleu le lors de l'Euro 1977 face à l'URSS, rencontre perdue sur le score de 115 à 74.