На чемпионате мира 2010 года, проходившем в той же стране, Рамос отыграл все минуты турнира в качестве правого защитника, помог Испании сохранить пять чистых мячей и выйти в финал, который они выиграли 1:0 у сборной Нидерландов; он возглавил рейтинг Castrol Performance Index турнира, набрав 9,79 балла. Несмотря на игру на позиции правого защитника, он также совершил больше сольных проходов, чем любой другой игрок на турнире — 31.