2000 Avrupa Futbol Şampiyonası'ndan sonra yine Avrupa'da bir takım bulmaya çalışan Sergen, başarılı olamadı. 2000-2001 sezonun başında ise Trabzonspor'a kiralandı ve 4 büyüklerin tümünde forma giyen ilk futbolcu unvanını aldı. Trabzonspor'la ilk günlerinde sakatlıklarla boğuştu. Sezon sonunda Trabzonspor 5. olurken, Sergen Yalçın da Trabzonspor ile yollarını ayırdı.