Ο Αλόνσο αγωνίστηκε κυρίως ως αλλαγή στην Εθνική λόγω των μεγάλων ονομάτων που υπήρχαν (Τσάβι, Ινιέστα) μέχρι το Ευρωπαϊκό του 2008 οπότε αποτέλεσε βασικό στέλεχος. Με την εθνική Ισπανίας αγωνίστηκε σε όλες τις μεγάλες διοργάνωσης. Συμμετείχε στο Κύπελλο Συνομοσπονδιών 2009, στο Παγκόσμιο Κύπελλο 2010 το οποίο κατέκτησε κερδίζοντας στον τελικό την Ολλανδία με 1-0, στο Ευρωπαϊκό πρωτάθλημα 2012 το ποίο κατέκτησε επίσης πραγματοποιώντας καλές εμφανίσεις και κάνοντας την 100ή του εμφάνιση με τα εθνικά χρώματα. Συμμετείχε επίσης και στο Παγκόσμιο Κύπελλο του 2014 στο οποίο η Ισπανία είχε απογοητευτική συμμετοχή. Αποσύρθηκε από το διεθνές ποδόσφαιρο στις 29 Αυγούστου 2014 σε ηλικία 32 ετών.