ATLÉTICO DE MADRID

Tras un primer partido simbólico ante la filial del club marcando un gol, Sergio debutó oficialmente con la camiseta del Atlético de Madrid el 27 de agosto de 2007, en la victoria de su equipo 1-0 como visitante frente al Racing de Santander, por la primera fecha de liga .  Tendría su primera oportunidad como titular, en la visita al Atletic de Bilbao. En ese partido marcaría su primer gol en su nuevo equipo, a los diecinueve minutos del segundo tiempo. Sus actuaciones más destacadas fueron por liga . Esa misma temporada junto a sus compañeros logró un cuarto puesto que permitió clasificar al Atlético a la Liga de Campeones de la UEFA tras doce años. Recibió gracias a sus grandes actuaciones la primera edición del Premio Antonio Puerta (mejor jugador de la temporada) y el Trofeo EFE. En la Copa del Rey participó en cuatro partidos, quedando su equipo eliminado en cuartos de final.  El 21 de mayo de 2011 consigue su primer hat-trick en Primera División y en el Atletico de Madrid. Solo dos días después, el 23 de mayo, anunciaría en su página web su deseo de abandonar el Atlético de Madrid. Pasaron más de dos meses hasta que se concretara su salida del club. El Mancherter City pagó al Atlético de Madrid la cláusula de rescisión de 45 millones de euros y Agüero firmó un contrato por seis años a razón de nueve millones de euros por año.