Randall Brenes maakte zijn debuut in het Costa Ricaans voetbalelftal op 8 juli 2005 in een duel om de CONCACAF Gold Cup tegen Cuba. Hij zorgde voor het eerste en tweede doelpunt van Costa Ricaanse zijde en had hiermee een aanzienlijk aandeel in de uiteindelijke 3–1 overwinning. Onder toenmalig bondscoach Ricardo La Volpe speelde hij vijf wedstrijden om de Copa Centroamericana in 2011. Brenes speelde mee in acht wedstrijden in de derde en vierde ronde van het kwalificatietoernooi voor het wereldkampioenschap 2014. Brenes won met Costa Rica de Copa Centroamericana 2013 door in de finale Honduras met 1–0 te verslaan. Op 10 september 2013 verzekerde hij zich met Costa Rica van deelname aan het mondiale voetbaltoernooi door met 1–1 gelijk te spelen tegen Jamaica. Op het wereldkampioenschap speelde Brenes mee in de gewonnen groepswedstrijd tegen Italië (1–0) en het derde groepsduel, dat eindigde in een doelpuntloos gelijkspel. Ook in de achtste finale tegen Griekenland kreeg Brenes van bondscoach Jorge Luis Pinto speeltijd. Na 83 minuten verving hij Cristian Bolaños en speelde hij mee in de verlenging. Costa Rica versloeg Griekenland uiteindelijk na strafschoppen; Brenes zelf nam er geen. De kwartfinale werd van Nederland verloren, na wederom een strafschoppenserie. Brenes speelde niet mee. Na het wereldkampioenschap kwam hij niet meer in actie in het Costa Ricaans elftal.