Sergio Canales llegó al Alevín del Racing de Santander con tan solo 10 años de edad. En categoría cadete actuó siempre de mediocentro, posición que fue adelantando con el paso de los años por su clara vocación ofensiva. En el marco de la Operación Munitis, en la que dicho jugador regresó a Santander, el Racing cedió el 50% de los derechos de traspaso de Canales al Deportivo de La Coruña; en aquel momento Canales tenía sólo 15 años.

El entrenador del primer equipo del Racing, Juan Ramón López Muñiz, se fijó en él nada más comenzar la temporada 2007-08 para reforzar su plantilla. Así, su debut con el conjunto cántabro se produjo con 17 años en competición europea, en un partido frente al FC Honka de la antigua Copa de la UEFA. Esa temporada, Canales sumó sus primeros 105 minutos en Primera División.

Tras su debut en la máxima categoría, Canales regresó al filial racinguista y no volvería a jugar con el primer equipo hasta la 2009-2010. Esta temporada fue la de su explosión como futbolista. A lo largo de dicha campaña disputó 26 encuentros, en los que marcó seis goles. El 12 de febrero de 2010, el Real Madrid hizo público un acuerdo de traspaso con el Racing para la temporada 2010-2011. Debutó como titular y marcó en un amistoso frente al América de México. Pese a ello, apenas contó con oportunidades durante la temporada.

El 4 de agosto de 2011 se confirmó la cesión de Canales al Valencia CF por dos temporadas con una opción de compra de 15 millones de euros. En su primera temporada, la 2011-2012, Canales jugó sólo 11 partidos debido a sus dos roturas del ligamento cruzado de su rodilla derecha de las que tuvo que ser operado en dos ocasiones. Pese a ello, el club valencianista puso toda su confianza en el jugador e hizo efectiva la opción de compra por 7,5 millones de euros, firmando con el Valencia hasta junio de 2017.

Canales inició su andadura en su segunta temporada en enero de 2013, tras recuperarse de su segunda lesión. Finalmente, consiguió disputar un total de 15 partidos, marcando dos goles. La temporada 2013-2014 tenía que ser la de la consagración de Canales en el equipo ché, pero Canales comenzó la temporada alternando la titularidad con la suplencia. Cuando parecía haberse consolidado en el once incial, Djukic fue destituido y con el nuevo técnico, Juan Antonio Pizzi, Canales comenzó a perder protagonismo, por lo que pidió salir durante el mercado de invierno.

El 31 de enero de 2014 se anunció oficialmente el traspaso de Sergio Canales a la Real Sociedad a cambio de 3,5 millones de euros, firmando el jugador un contrato por cuatro temporadas.