A nivel internacional, Agüero representó a la selección argentina sub-20 en los Mundiales Sub-20 del 2005 y el 2007, ganando ambos campeonatos. Disputó los Juegos Olímpicos de Pekín 2008, anotando dos goles en las semifinales ante Brasil que permitieron que Argentina llegara a la final y ganara la medalla de oro. Con el equipo mayor, representó a la Argentina en los Mundiales 2010, 2014 -donde alcanzó la - y 2018, y las Copas América 2011, 2015, 2016, 2019 y 2021, resultando Argentina campeón de esta última.