Nel 2005, a 17 anni, partecipa al Mondiale Under-20, vinto con la nazionale argentina. Esordisce il 14 giugno contro l'Egitto nella partita vinta per 2-0. Il 28 giugno, battendo il Brasile Under-20 in semifinale 2-1, l'Argentina si qualifica in finale dove Agüero si procura il rigore che, realizzato da Messi, decide l'incontro con la Nigeria, la partita finisce 2-1 per l'Argentina, che vince il Mondiale dopo quello vinto nel 2001.