Semjon Warlamow vertrat die russische Nationalmannschaft erstmals bei den U18-Junioren-Weltmeisterschaften 2005 und 2006. Mit der U20-Nationalmannschaft nahm er zudem an den U20-Junioren-Weltmeisterschaften 2006 und 2007 teil. Bei beiden U20-Wettbewerben gewann Warlamow die Silbermedaille.