Alexis Sánchez intègre les sélections de jeunes de son pays à partir de la catégorie moins de 16 ans. En , il participe au Championnat d'Amérique du Sud des moins de 17 ans, organisés au Venezuela, et inscrit un doublé face au Pérou. Il est sélectionné pour disputer l'édition 2007 de la Coupe du monde des moins de 20 ans au Canada. La sélection chilienne atteint les demi-finales du tournoi, Sánchez prend part à quatre rencontres et marque face au Congo. Alexis Sánchez dispute son premier match avec l'équipe A du Chili face à la Nouvelle-Zélande le . À partir de , il prend part aux de la Coupe du monde 2010 avec l'équipe du Chili et devient le meilleur buteur de la zone Amérique du Sud. Il fait partie des 23 joueurs chiliens sélectionnés pour participer à la Coupe du monde 2010. Lors d'un match de qualification pour le mondial 2014 de la zone Amsud, El Nino Maravilla marque son quinzième but en sélection. Le , Sánchez s'offre un doublé contre la Colombie lors de l'avant dernier match des éliminatoires de la coupe du monde 2014 au Brésil. Score final 3-3. Le , Sánchez marque son en qualifiant le Chili pour le mondial 2014 au Brésil. Le , Alexis marque un doublé contre l'Angleterre. Lors du mondial 2014 au Brésil, Alexis Sánchez réalise une très bonne prestation, il est auteur de 2 buts et 1 passe décisive en 4 matchs, il est d'ailleurs élu joueur du match face aux Australiens. Le , à l'occasion de la Coupe des confédérations 2017, il marque face à l'Allemagne son en sélection, dépassant ainsi Marcelo Salas, pour devenir le recordman de buts de l'équipe du Chili.