Puyol kuului myös Espanjan maajoukkueen vakiokalustoon. Hän oli yksi tärkeimmistä yksittäisistä pelaajista maajoukkueessaan, kun Espanja voitti Euroopan-mestaruuden vuonna 2008. Hän johti Espanjan puolustuslinjaa ja muodosti Carlos Marchenan kanssa kisojen parhaan keskuspuolustajaparin, mistä oli osoituksena valinta EM-kisojen tähdistöön. Menestys jatkui vuoden 2010 maailmanmestaruuskilpailuissa, jossa Espanja voitti mestaruuden ja Puyol valittiin jälleen tähdistöjoukkueeseen. Hän teki 1–0-voittomaalin turnauksen välieräottelussa Saksaa vastaan. Vuoden 2012 EM-turnauksessa Puyol ei mahtunut mukaan Espanjan maajoukkueeseen loukkaantumistensa vuoksi.