Su debut se produjo el 26 de marzo de 2005 en Salamanca (España), partido en el que España ganó 3-0 a la Selección de fútbol de China. Ha marcado 4 goles con la Selección Española en 32 partidos.
Jugó el Mundial de Alemania donde su selección cayó en octavos de final y disputó la Eurocopa 2008 de Austria y Suiza participando en la final ante Alemania, jugando los 90 minutos y ganando el título para España.
En esta misma final, una vez terminado el encuentro, Sergio lució una camiseta dedicada a su amigo y ex compañero del Sevilla FC Antonio Puerta, fallecido tras un fallo cardíaco durante un partido liguero a principios de esa temporada 2007/08.