Agüero on voittanut alle 20-vuotiaiden maailmanmestaruuden vuosina 2005 ja 2007. Jälkimmäisenä vuonna hänet valittiin turnauksen parhaaksi pelaajaksi ja hän oli kuudella maalillaan myös turnauksen paras maalintekijä. Hän kuului olympiakultaa voittaneeseen Argentiinan joukkueeseen Pekingissä 2008. Hän pelasi Argentiinan A-maajoukkueessa ensimmäisen kerran 2007. Hän pelasi MM-kilpailuissa 2010 ja 2014 ilman maaleja. Jälkimmäisissä kisoissa Argentiina sai hopeaa. MM-kilpailuissa 2018 hän teki kaksi maalia. Hän sai hopeaa myös Copa Americassa 2015 ja Copa América Centenariossa 2016.