El "cuajo" del equipo es uno de los seis jugadores en activo que superan la centena de internacionalidades, en concreto ha defendido la camiseta de la Selección española de fútbol en 109 ocasiones. Ha participado en tres eurocopas y dos mundiales.

Fue en el Vicente Calderón, un 30 de abril de 2003, en un amistoso contra Ecuador, cuando Xabi Alonso debutó con el combinado nacional llamado por Iñaki Sáez. 

Quince goles ha conseguido como internacional, quizá los dos más importantes los consiguió en la Eurocopa de 2012. España y Francia se enfrentaban buscando un hueco en las semifinales. Aquel 26 de junio, Xabi Alonso se convirtió en el protagonista del partido al abrir el marcador en el minuto 19 y certificar el pase a un minuto del final con un penalti. Aquel partido fue fundamental, en semifinales se eliminó a Portugal y ante Italia, en la final, se consiguió la tercera Eurocopa de la historia de España.  

Natural de Tolosa, hijo de otro internacional como Periko Alonso, Xabier Alonso Olano puede presumir de haber estado presente en los últimos tres grandes títulos de la Selección, las dos Eurocopas y un Mundial.