Internacionalmente, Ramos representou a Seleção Espanhola em quatro Copas do Mundo e três Eurocopas. Ele venceu a Copa do Mundo da FIFA 2010 e a Eurocopa em 2008 e 2012, sendo nomeado para o Time dos Sonhos da Copa do Mundo FIFA em 2010, e a Equipe Euro do Torneio em 2012. Ele fez sua primeira aparição na seleção aos 18 anos e em 2013, ele se tornou o jogador mais jovem do país a alcançar 100 partidas pela Seleção. Ele é o segundo jogador com mais títulos pela Espanha.