Moisés Villarroel reçoit sa première sélection en équipe de Chili lors du match Chili - Venezuela (6–0) le à Santiago. Entre 1997 et 2005, il totalise 34 sélections et 1 but pour l'équipe du Chili avec laquelle il dispute la Coupe du monde 1998 en France. À cette occasion, les Chiliens se qualifient pour les huitièmes de finale où ils sont battus par le Brésil (4–1) au Parc des Princes.