Como internacional absoluto, Alonso sumó y 16 goles. Representó a España en las fases finales de las Eurocopas de 2004, 2008 y 2012 y en las de las Copas del Mundo de Alemania 2006, Sudáfrica 2010 y Brasil 2014. Su debut internacional se produjo el 30 de abril de 2003 en el Estadio Vicente Calderón de Madrid, en un partido amistoso en el que España ganó 4-0 a Ecuador.