Ramos spielt seit 2005 für die spanische Nationalmannschaft und ist Kapitän sowie Rekordspieler seines Landes. Er nahm an vier Weltmeisterschaften (2006, 2010, 2014, 2018) und an drei Europameisterschaften (2008, 2012, 2016) teil. Dabei wurde er 2008 und 2012 Europa- sowie 2010 Weltmeister.