Con la selección de fútbol de Chile donde con 46 goles (27 en partidos oficiales y 19 en amistosos) es el goleador histórico de la selección chilena desde el 22 de junio del 2017, superando a Marcelo Salas con 37. A nivel de categorías inferiores obtuvo el tercer lugar en el Mundial sub-20 de 2007 en Canadá. Con la selección absoluta, ha jugado el Mundial de 2010 en Sudáfrica, la Copa América de 2011 en Argentina, el Mundial de 2014 en Brasil, la Copa América 2015 en su país natal, la Copa América Centenario en Estados Unidos, la Copa FIFA Confederaciones 2017 en Rusia y la Copa América 2019 en Brasil. Alexis es el jugador con más partidos clase A en la historia de la selección: 136 (122 de ellos como titular).