Vialli kuului Italian jalkapallomaajoukkueeseen, kun se sijoittui kolmanneksi vuoden 1990 maailmanmestaruuskilpailuissa. Yhteensä hän pelasi 59 maaottelua ja teki niissä 16 maalia. Hän pelasi myös vuoden 1986 maailmanmestaruuskilpailuissa ja vuoden 1988 Euroopan-mestaruuskilpailuissa.