W seniorskiej reprezentacji Ekwadoru Valencia zadebiutował za kadencji kolumbijskiego selekcjonera Reinaldo Ruedy, 29 lutego 2012 w wygranym 2:0 meczu towarzyskim z Hondurasem. W późniejszym czasie brał udział w zakończonych powodzeniem eliminacjach do Mistrzostw Świata 2014, podczas których trzykrotnie pojawiał się na boisku. Premierowego gola w kadrze narodowej strzelił natomiast 19 listopada 2013, również w sparingu z Hondurasem, tym razem zremisowanym 2:2. W 2014 znalazł się w ogłoszonym przez Ruedę składzie reprezentacji na Mistrzostwa Świata w Brazylii, gdzie pełnił rolę kluczowego zawodnika drużyny i wystąpił we wszystkich trzech spotkaniach od pierwszej do ostatniej minuty; ze Szwajcarią (1:2), Hondurasem (2:1) i Francją (0:0), zdobywając wszystkie trzy gole dla swojej drużyny. Ekwadorczycy odpadli ostatecznie z mundialu już w fazie grupowej, jednak sam Valencia został wybrany na jedno z największych odkryć całego turnieju.