В 2005 году Кросби выиграл титул чемпиона мира среди молодёжных команд в составе сборной Канады, в 2006 году принял участие во взрослом чемпионате мира. Сидни стал лучшим бомбардиром турнира и был признан лучшим нападающим, но сборная не завоевала медали. На зимних Олимпийских играх 2010 года в Ванкувере забил победный гол в овертайме финального матча США — Канада, а через четыре года на играх в Сочи стал двукратным олимпийским чемпионом, снова забросив шайбу в финальном матче. На чемпионате мира 2015 года в Чехии выиграл золотую медаль и стал 26-м членом «Тройного золотого клуба». В 2016 году стал победителем Кубка мира, а также был признан самым ценным игроком того турнира.