Trái ngược với phong độ không tốt ở cấp CLB, Vargas lại rất thành công ở sự nghiệp thi đấu quốc tế. Trong năm 2009, Vargas đã tham gia giải đấu Toulon cùng với U-23 Chile, nơi anh và các đồng đội là nhà vô địch và là cầu thủ ghi bàn nhiều thứ hai của đội. Vào ngày 5 tháng 11 năm 2009, anh đã có trận ra mắt quốc tế đầy đủ cho ĐTQG trong chiến thắng 2-1 trước Paraguay tại Estadio CAP.

Năm 2011, Vargas được triệu tập trở lại và ghi bàn thắng đầu tiên cho đội tuyển trong trận giao hữu thua 2-3 trước Tây Ban Nha vào ngày 2 tháng 9. Vào ngày 12 tháng 10, anh đã ghi bàn thắng đầu tiên của mình ở một giải chính thức trong chiến thắng 4–2 trước Peru tại Estadio Monumental ở vòng loại World Cup 2014..

Vào tháng 9 năm 2013, Vargas đã phá kỷ lục của đội tuyển quốc gia Chile về các bàn thắng trong các trận đấu liên tiếp - trước đó là Marcelo Salas và Carlos Caszely, đồng thời ghi hai bàn trong trận hòa 2-2 với Tây Ban Nha. Trong năm 2013, anh ghi được bàn trong sáu trận liên tiếp và tổng cộng 9 bàn cho La Roja.

World Cup 2014

Vào ngày 1 tháng 6 năm 2014, Vargas được HLV Jorge Sampaoli điền tên trong đội hình 23 cầu thủ của Chile tham dự World Cup 2014 tại Brazil. Ở lượt đấu thứ hai vòng bảng của Chile, đối đầu nhà đương kim vô địch Tây Ban Nha tại sân vận động Maracanã, Vargas ghi bàn mở tỉ số giúp Chile đánh bại Tây Ban Nha 2-0 và giúp đội nhà sớm giành vé vào vòng loại trực tiếp. Anh cũng nhận giải Cầu thủ hay nhất trận sau trận đấu đó.

Trong trận đấu gặp chủ nhà Brazil ở vòng 16 đội, Vargas đã kiến tạo cho đồng đội Alexis Sanchez ghi bàn gỡ hòa 1-1 cho Chile. Tuy nhiên anh đã bị chấn thương và phải sớm rời sân ở phút 56, chung cuộc Chile thua Brazil 2-3 trên chấm phạt đền.

Copa América 2015

Vào ngày 11 tháng 6 năm 2015, Vargas ghi bàn cho Chile trong trận mở màn của Copa América 2015, đem lại chiến thắng 2–0 trước Ecuador tại Estadio Nacional ở Santiago. Trong trận đấu tiếp theo của đội, Vargas ghi bàn thắng thứ hai của mình tại giải đấu, bàn gỡ hòa 2-2 khi đội chủ nhà hòa 3-3 với Mexico vào ngày 15 tháng 6. Trong trận bán kết với Peru, Vargas ghi cả hai bàn thắng trong chiến thắng 2–1 của Chile, trong đó bàn thứ hai là một cú sút xa đẹp mắt, đưa La Roja đến trận chung kết. Mặc dù Vargas đã được thay thế trong thời gian bù giờ, Chile giành chiến thắng trong loạt đá luân lưu phạt trước Argentina để giành danh hiệu quốc tế lớn đầu tiên của đội. 4 bàn thắng của Vargas đã khiến anh trở thành cầu thủ ghi bàn hàng đầu của giải cùng với Paolo Guerrero của Peru, và anh được bình chọn vào đội hình tiêu biểu của giải đấu.

Copa América Centenario

Vào ngày 14 tháng 6 năm 2016, tại Copa América Centenario, Vargas và Alexis Sánchez ghi hai bàn trong chiến thắng 4–2 trước Panama ở Philadelphia để đưa Chile vào vòng tứ kết của giải đấu. Bốn ngày sau, anh ghi 4 bàn tại sân vận động Levi trong trận đại thắng 7–0 trước Mexico. Cú poker trong trận đấu đó giúp Vargas trở thành cầu thủ đầu tiên ghi được 4 bàn thắng trong một trận đấu ở kỷ nguyên Copa America[3]. Chile giữ lại danh hiệu vô địch Nam Mỹ của họ với một chiến thắng nữa trên chấm phạt đền với Argentina. Vargas lại là cầu thủ ghi bàn hàng đầu của giải với 6 bàn thắng, nhiều hơn một bàn so với Lionel Messi của Argentina.

Sau trận chung kết, Vargas có một phát ngôn châm chọc kình địch Argentina trong lễ mừng chức vô địch Copa America 2016 tại Chile.: "Đoạt Copa lần này khó hơn nhiều so với lúc trước bởi chúng ta không được chơi trên sân nhà, không nhận được nhiều sự ủng hộ của khán giả nhà. Thực sự là khó khăn hơn rất nhiều. Argentina liên tục có mặt trong các trận chung kết như chúng ta, và chẳng có gì ngọt ngào hơn việc hạ gục bọn họ, kể cả là bằng những quả luân lưu. Argentina bây giờ như con cháu của chúng ta vậy."[4].

Confederation Cup 2017

Vargas cùng Chile tham gia Cúp Liên đoàn các châu lục 2017 tổ chức tại Nga với tư cách là ĐKVĐ Copa America. Anh ghi bàn ấn định chiến thắng 2-0 trong trận mở màn gặp Cameroon. Tâm điểm của trận đấu là hai quyết định của trọng tài, sau khi nhận tư vấn từ video hỗ trợ trọng tài, khiến tỷ số thay đổi. Vào cuối hiệp một, Chile đưa được bóng vào lưới Cameroon khi Vargas đón đường chọc khe của Vidal rồi bấm bóng qua thủ môn. Tuy nhiên, sau khi các cầu thủ và ban huấn luyện Chile vui mừng được một phút thì trọng tài tuyên bố bàn thắng không được công nhận. Băng ghi hình cho thấy Vargas đã việt vị vài centimet. Quyết định của trọng tài bị các cầu thủ Chile, đặc biệt là tiền vệ Arturo Vidal, phản ứng dữ dội. Lần thứ hai trọng tài thay đổi quyết định bởi ý kiến của trợ lý video là ở tình huống làm bàn của Vargas vào cuối hiệp hai. Bàn thắng này ban đầu không được công nhận vì trọng tài biên bắt việt vị Vargas trong tình huống Sanchez băng xuống. Tuy nhiên, sau khi có tư vấn từ trợ lý video, trọng tài quyết định công nhận bàn thắng.[5]

Chile giành ngôi Á quân tại giải sau khi thua Đức 0-1 ở chung kết.

Copa América 2019

Tại Copa América 2019 diễn ra tại Brasil, Vargas trở thành cầu thủ thứ hai lập cú đúp trong chiến thắng 4-0 trước Ecuador (sau Philippe Coutinho của Brasil).