در رده ملی راموس از سال ۲۰۰۵ و درحالی‌که تنها ۲۰ سال سن داشت، برای تیم ملی فوتبال اسپانیا به بازی رفت و از آن زمان تاکنون در ۱۷۰ بازی ملی به رقابت پرداخته که رکورد بیشترین بازی ملی در اسپانیا را در اختیار دارد. او در جام جهانی فوتبال ۲۰۱۰ و جام ملت‌های اروپا ۲۰۰۸ و ۲۰۱۲ با اسپانیا به قهرمانی رسید. راموس در جام جهانی ۲۰۱۰، به عنوان یکی از بازیکنان برگزیده جام در تیم برگزیده جام جهانی بود.