Pada Mac 2007, Medel membuat penampilan pertama untuk pasukan kebangsaan Chile pada perlawanan persahabatan menentang Argentina. Pada tahun berikutnya, beliau mengambil bahagian di Piala Dunia B-20 FIFA 2007 bersama skuad Chle bawah-20 di Kanada. Beliau dibuang padang pada separuh akhir menentang Argentina selepas beliau menyepak Gabriel Mercado.

Beliau termasuk dalam skuad senior Chile dalam kempen kelayakan Piala Dunia FIFA 2010 dan beliau menjaringkan gol dengan sepakan gunting ketika menang 2-0 ke atas Bolivia. Beliau bermain pada ketiga-tiga perlawanan peringkat kumpulan Piala Dunia 2010 di Afrika Selatan tetapi tidak bermain pada pusingan 16 di mana La Roja tersingkir.

Pada 2011, beliau bermain pada Copa América 2011 dan dibuang padang pada suku akhir menentang Venezuela selepas bola terkena tangan.

Beliau menjaringkan dua gol ketika kempen kelayakan Piala Dunia FIFA 2014. Beliau bermain ketiga-tiga perlawanan peringkat kumpulan di Piala Dunia FIFA 2014 di Afrika Selatan. Beliau juga bermain pada pusingan 16 tetapi tewas pada tendangan penalti kepada Brazil.

Gol antarabangsa