Agüero debutó en el primer amistoso de la Era Basile. Fue en la derrota frente a Brasil en el Emirates Stadium de Londres, el 3 de septiembre de 2006. Sergio ingresó por Carlos Tévez a los veinte minutos del segundo tiempo. Por competiciones oficiales, quedó fuera de la lista definitiva para la Copa América 2007 (lo que le permitió disputar y ganar el Mundial Sub-20), pero formó parte de las dos primeras convocatorias para las Eliminatorias. El 17 de noviembre, en el Estadio Monumental y frente a Bolivia, fue titular por primera vez en la selección mayor y anotó su primer gol, abriendo el marcador a los 41 minutos mediante un cabezazo.
El 31 de mayo de 2011 Sergio Batista oficializó una lista preliminar de jugadores para disputar la Copa América 2011 entre los que se encontraba Agüero. El 25 de junio se confirmó que Agüero estaría entre los 23 jugadores elegidos para participar en el torneo. Agüero debutó en el primer partido de su selección en el torneo entrando en el minuto 70 en sustitución de Lavezzi. En el tercer y último partido de la fase de grupos, Agüero disputó su primer partido como titular. Tras dos empates en los dos primeros partidos, Argentina necesitaba ganar para clasificarse para la siguiente fase. Agüero contribuyó a la victoria por tres a cero marcando dos goles. En el partido de cuartos de final, Argentina cayó eliminada ante Uruguay en la tanda de penaltis después de finalizar el partido con empate a uno. Agüero comenzó el encuentro como titular pero fue sustituido en el minuto 80 por Carlos Tévez quien fallaría el penalti que provocaría la eliminación de Argentina.
Tras ser convocado para los amistosos preparatorios frente a Guatemala (del que se ausentó por una lesión) y Cataluña (no oficial, disputado el 24 de mayo de 2008), Sergio formó parte de la lista definitiva del director técnico Sergio Batista para defender el oro en los Juegos Olímpicos de Pekín 2008.
Agüero disputó cinco de los seis partidos de su selección, todos como titular. A pesar de ello no pudo marcar sino hasta las semifinales, donde cumplió un muy destacado papel frente a Brasil, anotando dos goles y recibiendo una falta en el área que Riquelme convertiría en el tercero. El 23 de agosto Argentina, con Sergio en el campo, Argentina venció a Nigeria por 1-0 en el Estadio Nacional de Pekín, obteniendo así la medalla de oro, tercer título oficial para Agüero con su selección.
