俱乐部生涯
2005年夏天，拉莫斯以2700万欧元的转会费加盟皇马，并且创造了当时西班牙球员的转会纪录。他也是弗洛伦蒂诺自2000年7月当选俱乐部主席后，皇家马德里签下的第一位西班牙本土球员。
拉莫斯承继了老队长费尔南多·耶罗的4号球衣，加盟皇马后迅速成为球队的主力。在皇马的第二个赛季，拉莫斯便帮助银河战舰夺得了西甲联赛冠军，随后的一年皇马卫冕西甲冠军，拉莫斯在两个西甲赛季里一共出场66次，打进10个联赛进球。
2011-12赛季，拉莫斯在教练穆里尼奥的改造下，以中坚身份出赛，次循环的西班牙国家德比对阵巴萨时，拉莫斯防守梅西令后者全场哑火。但在欧冠半决赛次回合对战拜仁在点球大战中，拉莫斯把球射得一飞冲天，使球队最终无缘决赛，拉莫斯的这次射门在后来甚至成为了西班牙大学的考题。
2013年2月，国家德比，皇马在主场2-1力克巴萨，拉莫斯泰山压顶打进制胜球。3月6日，欧冠1/8决赛次回合，皇马客场2-1逆转曼联，拉莫斯自摆乌龙，莫德里奇和C罗力挽狂澜打入制胜两球，而拉莫斯的乌龙球是欧冠联赛第6000球。
2014年4月27日，拉莫斯进球帮助皇马4-0大胜奥萨苏纳；4月30日，欧冠半决赛次回合，皇马作客安联球场对战拜仁，拉莫斯以两记头球协助球队4-0大胜卫冕冠军晋身决赛；接着2-2平瓦伦西亚，1-1平巴拉多利德，拉莫斯连场进球。5月25日，欧冠决赛，比赛最后阶段，皇马仍0-1落后马竞，补时第93分钟拉莫斯接莫德里奇开出的角球头球攻门入网，帮助皇马扳平比分，也将比赛拖入加时赛，加时赛皇马连入3球击败马竞夺得冠军，这也是拉莫斯个人的第一座欧冠。2014年12月拉莫斯在世俱杯决赛首开纪录，帮助皇马拿到世俱杯冠军，并成为决赛最佳球员。
2015年8月17日，皇马官方宣布续约队长拉莫斯，新合同至2020年，拉莫斯在皇马的年薪上涨至900万欧元，此外还有奖金分成。
2016年12月3日，在2016-17赛季西甲第14轮皇家马德里对阵巴塞罗那的比赛中，拉莫斯在比赛最后时刻攻入一粒扳平比分的头球，帮助皇马在巴萨主场全身而退。12月11日，在西甲第15轮皇家马德里对阵拉科鲁尼亚的比赛中，拉莫斯再次在最后时刻上演进球，在比赛第91分钟绝杀对手，帮助皇马3-2获胜，全取3分。
2016年12月25日，英国《卫报》2016年度百大球星正式出炉，排名第25。
2017年8月4日，塞尔吉奥·拉莫斯入围2016-17赛季欧冠最佳后卫候选人。8月25日，在欧足联年度颁奖礼中，拉莫斯荣膺欧足联年度最佳后卫奖。
