Vicente del Bosque riep Ramos ook op voor het WK 2010. Ramos deed als rechtervleugelverdediger in alle wedstrijden mee en de finale werd gewonnen van Nederland. Spanje werd voor het eerst in de geschiedenis wereldkampioen.Twee jaar later verdedigde het Spaanse elftal met succes het Europees kampioenschap. Ramos miste geen minuut. In de finale werd Italië met 4-0 verslagen. Op 22 maart 2013 werd Ramos de jongste voetballer aller tijden met 100 interlands op zijn naam, toen hij met Spanje aantrad tegen Finland. Het WK-kwalificatieduel eindigde in 1–1 en Ramos nam de openingstreffer voor zijn rekening. Later dat jaar nam Ramos met Spanje deel aan de Confederations Cup. Ramos was aanvoerder van Spanje in de eerste helft toen Spanje met 10-0 Tahiti versloeg. Spanje werd tweede, de finale werd verloren van gastland Brazilië. Een jaar later werd Ramos opnieuw opgeroepen voor het WK in Brazilië. Na nederlagen tegen Nederland en Chili en winst tegen Australië werd Spanje in de poulefase uitgeschakeld.