За национальную сборную Испании Пуйоль дебютировал в 2000 году. Участник трёх чемпионатов мира (2002, 2006, 2010) и двух чемпионатов Европы (2004, 2008). Вице-чемпион Олимпийских игр 2000 года. 7 июля 2010 года, во время игры на ЧМ-2010, вывел сборную Испании в финал турнира, забив единственный гол в ворота сборной Германии с розыгрыша стандартного положения. Пропустил чемпионат Европы по футболу 2012 из-за травмы плеча. Всего за первую сборную провёл 100 матчей и забил 3 мяча. Чемпион мира (2010) и чемпион Европы (2008). Входил в состав символических сборных этих турниров. Бронзовый призёр Кубка Конфедераций (2009).