Participar en la mayoría de los partidos preparatorios previos a la Copa América 2015 celebrada en su país, Valdivia anotó un gol contra El Salvador (el único resultado del partido en Rancagua) y fue incluido en la lista de 23 hombres para enfrentar la copa. El 12 de junio, fue titular en el partido inaugural de la Copa América con Ecuador: una victoria de 2 a 0 para Chile. En el siguiente partido de grupo con México, Valdivia fue elogiado por la prensa por jugar los 90 minutos completos, ser trasendental en todos los goles de Chile y por haber anotado un gol mal cancelado durante ese empate de 3 a 3. Después de otro partido destacado en una victoria por 5 a 0 sobre Bolivia, donde ayudó a Alexis Sánchez en el segundo gol de Chile, fue un jugador clave en la victoria por 1 a 0 contra Uruguay (campeones defensores) para los cuartos de final, partido recordado por el incidente entre Gonzalo Jara y el delantero Edinson Cavani. Tras el triunfo de la semifinal sobre Perú (2<unk>1) que puso a Chile en una final de la Copa América después de 28 años desde 1987
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