На международном уровне Рамос представлял сборную Испании на четырёх чемпионатах мира и трёх чемпионатах Европы. Он выиграл чемпионат мира по футболу 2010 года и Чемпионат Европы УЕФА в 2008 и 2012 годах, был включён в «Команду мечты» чемпионата мира по футболу в 2010 году и «Команду турнира» чемпионата Европы в 2012 году. Он впервые сыграл за сборную Испании в возрасте 18 лет, а в 2013 году стал самым молодым игроком страны, набравшим 100 матчей. В настоящее время Рамос является самым титулованным игроком в истории сборной Испании и восьмым по количеству голов за всю историю. Ему также принадлежит рекорд по количеству международных побед за сборную Испании — 131 матч.