Alexandre Pato był członkiem reprezentacji Brazylii na Mistrzostwach Świata do lat 20 w 2007. W pierwszym meczu z Polską, jego reprezentacja przegrała 0:1. W kolejnym meczu z Koreą Południową strzelił 2 bramki. Pato zadebiutował w pierwszej drużynie reprezentacji Brazylii 26 marca 2008 roku w spotkaniu przeciwko Szwecji. W pojedynku tym Alexandre zdobył zwycięską bramkę. W 2008 roku został powołany do kadry U-23 prowadzonej przez Carlosa Dungę na Igrzyska Olimpijskie w Pekinie, gdzie razem z reprezentacją Brazylii zdobył brązowy medal. W roku 2012 wraz z reprezentacją Brazylii pojechał na Igrzyska Olimpijskie do Londynu, gdzie 29 lipca strzelił gola Białorusinom, w meczu wygranym przez Brazylię 3:1