Начиная с 2009 года привлекался к играм сборной различных возрастов (до 18, 19 и 20 лет). Впервые был вызван в национальную команду на игры квалификационного раунда к Олимпиаде 2012 года, которые проводились в Каракасе, Венесуэла. На турнире принял участие в трёх матчах, в среднем проводил на поле 8,54 минуты, набирал 3,3 очка, отдавал 0,7 результативных передач, делал 1,7 подборов, 0,7 перехватов. Включён в заявку сборной России на Олимпиаду 2012 года в Лондоне. сборная России стала бронзовым призёром Олимпиады. За это достижение Сергей Карасёв, как все его партнёры по команде, был награждён медалью ордена «За заслуги перед Отечеством II степени». 4 апреля 2013 года было объявлено, что Карасёв выставил свою кандидатуру на Драфт НБА 2013 года. В 2013 Карасев был включён в состав молодёжной сборной мира, за которую он сыграл в рамках ежегодного турнира Nike Hoop Summit против сборной США. В той игре он набрал 7 очков, отдал 2 результативных передач и 2 подбора.