Sergio Peña debuteerde op 24 maart 2017 voor het Peruviaans voetbalelftal, in de met 2-2 gelijkgespeelde WK-kwalificatiewedstrijd tegen Venezuela. Met Peru wist Peña zich te kwalificeren voor het Wereldkampioenschap voetbal 2018. Hoewel hij geselecteerd werd voor de voorselectie voor het WK, werd hij niet geselecteerd voor de definitieve selectie. Hij maakte deel uit van de selectie voor de Copa América 2021, waarin Peña alle wedstrijden speelde en vierde werd met Peru.