У складі збірної був учасником чемпіонату світу 1966 року в Англії, де зіграв у всіх трьох матчах — проти Італії, КНДР та СРСР, але команда не подолала груповий етап. Також Вільянуева був основним гравцем збірної і на чемпіонаті Південної Америки 1967 року в Уругваї, на якому команда здобула бронзові нагороди, а Уго відіграв у чотирьох з семи матчах — проти Колумбії (двічі), Венесуели та Парагваю, які і стали його останніми іграми за збірну. Загалом з 1964 по 1967 рік він провів 33 матчі у складі національної збірної.