Mit der Jugendauswahl der argentinischen Nationalmannschaft gewann er unter anderem die Junioren-Fußballweltmeisterschaft 2005 in den Niederlanden. Sein erstes Spiel in der argentinischen A-Nationalmannschaft bestritt Agüero am 3. September 2006 gegen Brasilien, als er für Carlos Tévez eingewechselt wurde.