Кар’єра на міжнародному рівні у складі Іспанії

У 2007 році дебютував у складі юнацької збірної Іспанії, взявши участь у 21 грі і відзначившись 10 забитими голами. З 2010 року залучався до складу молодіжної збірної Іспанії, з якою став чемпіоном Європи 2011 року серед молоді до 21 року. Два роки потому повторив цей успіх, перемігши і на молодіжному Євро-2013, на якому був визнаний кращим гравцем фінального матчу, де оформив хет-трик. Всього за «молодіжку» зіграв у 21 офіційному матчі, забивши 6 голів.

10 серпня 2011 року дебютував в офіційних матчах у складі національної збірної Іспанії в товариському матчі проти збірної Італії. Регулярно викликатися до складу «червоної фурії» почав вже з кінця 2015 року, після відновлення від травми коліна, через яку не грав більше року. Був учасником Чемпіонату Європи 2016 року, на якому взяв участь у двох матчах групового етапу.

У травні 2018 року Тьяго Алькантара був включений в заявку національної команди для участі на Чемпіонаті світу в Росії.