Ayala debuteerde op 12 maart 2009 in het Mexicaans voetbalelftal, tijdens een met 5–1 gewonnen oefenwedstrijd in eigen huis tegen Bolivia. Hij maakte deel uit van de Mexciaanse ploeg op onder meer de Copa América 2015 en de Gold Cup 2017. Hij droeg op het laatstgenoemde toernooi in vier van de vijf wedstrijden die Mexico speelde de aanvoerdersband. Ayala kwam op 1 februari 2018 voor het eerst tot scoren in een interland. Hij maakte die dag het enige doelpunt van de wedstrijd in een met 1–0 gewonnen oefeninterland thuis tegen Bosnië en Herzegovina.