Vargas har spillet 100 landskampe for Chile siden 2010, hvor han scorede 40 mål. Han var en del af deres trup ved 2014 FIFA World Cup, 2017 FIFA Confederations Cup, og Copa América i 2015, 2016
, 2019 og 2021. Han sluttede som topscorer i Chiles titelvindende 2015 og 2016 Copa América kampagner.