Wraz z drużyną narodową Hiszpanii był na Mistrzostwach Świata w Korei i Japonii w 2002, Mistrzostwach Europy w Portugalii w 2004 oraz na Mistrzostwach Świata w 2006 r. W 2008 roku zdobył z reprezentacją Hiszpanii Mistrzostwo Europy w turnieju rozgrywanym na boiskach Austrii i Szwajcarii. Na Mistrzostwach Świata w Południowej Afryce Puyol rozpoczynał każdy mecz w pierwszym składzie i grał praktycznie zawsze 90 minut (został zmieniony przez Marchenę w 84. minucie ćwierćfinałowego spotkania przeciwko Paragwajowi). Strzelił jedynego gola w półfinale z Niemcami, dzięki czemu reprezentacja Hiszpanii dotarła do finału Pucharu Świata. W decydującym meczu zagrał pełne 120 minut, Hiszpania pokonała wówczas Holandię 1:0 i zdobyła tytuł mistrza świata.
Grę Puyola cechowała niezwykła pracowitość, determinacja i konsekwencja połączona z dużą wytrzymałością fizyczną. Potrafił ratować drużynę z sytuacji podbramkowych, czasem wręcz beznadziejnych. U kibiców i fanów zyskał przydomek Tarzan ze względu na swoje podobieństwo do książkowo-filmowej postaci. 4 marca 2014 roku na konferencji prasowej Puyol ogłosił, że odchodzi z FC Barcelona. Kontrakt został rozwiązany za porozumieniem stron.