Sergio Canales llegó al Alevín B 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. Anotó sus dos primeros tantos en primera contra el Espanyol, en el partido disputado en el Estadio Cornellá-El Prat el día 6 de diciembre de 2009 con el resultado final de 0 a 4.

El 12 de febrero de 2010, el Real Madrid Club de Fútbol hizo público un acuerdo de traspaso con el Racing para la temporada 2010/11. Tras el traspaso, en principio el jugador permanecería al menos una temporada cedido en el Racing. Sin embargo, en julio de 2010 el Real Madrid decidió incorporar a Canales a su plantilla. El 4 de agosto de 2010 debutó con el Real Madrid en un amistoso de pretemporada frente al América de México; salió como titular y anotó el primer gol para su equipo. Pese a ello, apenas contó con oportunidades durante la temporada.

El 4 de agosto de 2011 se confirmó la cesión de Sergio Canales al Valencia CF por dos temporadas con una opción de compra (15 millones de euros). El equipo ché se hizo cargo de la ficha del jugador (1,5 millones de euros) y deberá pagar 1 millón de euros al Real Madrid por cada temporada que juegue cedido en el equipo valenciano. [Resumir]