W 2005 roku Villanueva był członkiem młodzieżowej reprezentacji Chile U-20 na Mistrzostwa Świata U-20, których gospodarzem była Holandia. W 2007 roku został powołany przez selekcjonera Nelsona Acostę do pierwszej reprezentacji na Copa América 2007. 27 czerwca w pierwszym spotkaniu Chile w tym turnieju zadebiutował w dorosłej kadrze, a w 86. minucie strzałem z rzutu wolnego dał rodakom zwycięstwo 3:2 nad Ekwadorem. Z Chile dotarł do ćwierćfinału, a od czasu debiutu jest podstawowym zawodnikiem tej drużyny.