Levantou o troféu da Liga dos Campeões da UEFA de 2015–16 após os "vikings" vencerem o Atlético de Madrid na final, Ramos marcou o primeiro gol da partida dando vantagem ao clube, contudo, os "colchoneros" empataram no segundo tempo com Carrasco. A partida foi aos pênaltis após o fim da prorrogação sem gols, Ramos converteu sua cobrança e após erro de Juan Francisco e acerto de Cristiano Ronaldo, os "blancos" conquistaram seu décimo primeiro título da competição com ele sendo eleito o "Man of the Match". Em 2020, o árbitro da partida, Mark Clattenburg, revelou que o trio de arbitragem cometeu um erro ao não marcar impedimento no gol de Sergio Ramos, ele ainda afirmou que utilizou seu erro a favor do clube para justificar a penalidade máxima concedida ao Atlético, a penalidade foi desperdiçada por Antoine Griezmann e, por isso, apenas o erro a favor do Real interferiu no resultado da partida.