Di peringkat antarabangsa, Agüero mewakili Pasukan bola sepak kebangsaan Argentina bawah 20 tahun ketika Piala Dunia B-20 FIFA edisi 2005 dan 2007 di mana dia memenangi kedua-dua pertandingan. Agüero bermain di Sukan Olimpik Beijing 2008. Dia menjaringkan dua gol ketika kemenangan 3-0 ke atas Brazil di pusingan separuh akhir dimana Argentina berjaya meraih pingat emas. Agüero dipilih untuk mewakili Argentina di Piala Dunia FIFA 2010, Copa América 2011, Piala Dunia FIFA 2014, Copa América 2015 dan Copa América Centenario.