Participar en la majoria de partits preparatoris abans de la Copa América de 2015 celebrada al seu país, Valdivia va marcar un gol contra El Salvador (l'únic gol del partit a Rancagua) i va ser inclòs en la llista de 23 homes per enfrontar-se a la copa. El 12 de juny, va ser titular en el primer partit de la Copa América amb l'Equador: una victòria de 2 a 0 per a Xile. El següent partit de grup amb Mèxic, Valdivia va ser elogiat per la premsa per jugar els 90 minuts complets, ser trasendental en tots els gols de Xile i per haver marcat un gol mal cancel·lat durant aquest empate de 3 a 3. Després d'un altre partit destacat en una victòria de 5 a 0 sobre Bolívia on va assistir Alexis Sánchez en el segon gol de Xile, va ser un jugador clau en la victòria de 1 a 0 contra Uruguai (campeons defensors) per als quarts de final, partit recordat per l'incident entre Gonzalo Jara i l'atacant Edinson Cavani. Després del triomf de la semifinal sobre el Perú (2<unk>1) que va posar a Xile en una final de la Copa Amèrica després de 28 anys des de 1987
,