В возрасте 14 лет Серхио прибыл на просмотр в «Севилью», где хорошо показал себя. Вскоре начал выступать за юношеские команды этого клуба.

В сезоне 2002/03 провёл один матч за резервную команду «Севильи» во втором дивизионе чемпионата Испании. В сезоне 2003/04 Рамос стал был игроком основного состава дубля, приняв участие в 25 матчах и забив один мяч.

В начале 2004 года тогдашний главный тренер «Севильи» Хоакин Капаррос перевёл Рамоса в основной состав. 1 февраля 2004 года Рамос дебютировал в Примере в матче против «Депортиво Ла-Корунья» (0:1).

Летом того же года Серхио стал чемпионом Европы в составе юношеской сборной Испании для игроков не старше 19 лет.

В сезоне 2004/05 Серхио провел в Примере 31 матч и забил 2 мяча, также он играл в Кубке УЕФА, в частности встречался с петербургским «Зенитом». В конце сезона Серхио был признан игроком-открытием чемпионата.

26 марта 2005 года Рамос дебютировал в составе сборной Испании, выйдя на замену в поединке с Китаем (3:0) в возрасте 18 лет. Серхио стал первым футболистом с 1941 года, который играл за сборную Испании в столь юном возрасте — ранее этого добился вратарь Хуан Акунья. Через некоторое время Серхио попал в стартовый состав на отборочный матч чемпионата мира 2006 с Сербией и Черногорией. С тех пор он стал основным защитником команды Луиса Арагонеса.

Летом 2005 года мадридский «Реал» приобрел Рамоса за 27 миллионов евро. «Барселона» и «Манчестер Юнайтед» также желали видеть игрока в своём составе.

Чуть меньше чем через год после ЧМ-2006 Серхио выиграл первый крупный титул в карьере, став в составе «Реала» чемпионом Испании. В отборочном турнире Евро-2008 Рамос принял участие в 11 из 12 матчей и забил два гола.

Рамос способен хорошо действовать на разных позициях, и тренеры «Реала» широко используют это его качество. В частности, в некоторых матчах он играл на позиции опорного полузащитника. Чаще всего Рамос действует справа в обороне.

Чемпион Европы 2008 года

Чемпион Испании: 2006/07, 2007/08

2-е место в чемпионате Испании: 2005/06, 2008/09

Обладатель Суперкубка Испании: 2008

Чемпион Европы среди игроков до 19 лет: 2004