Sergio Canales fichaba por la Real Sociedad en el mercado invernal de la temporada 2013/2014 procedente del Valencia C.F. Su fichaje se anunciaba sobre la bocina el 31 de enero de 2014. La Real Sociedad abonaba 3,5 millones de euros por hacerse con los servicios del jugador cántabro. El debut de Canales con la camiseta realista se producía el 5 de febrero de 2014 frente al F.C. Barcelona en el partido de ida de semifinales de la Copa del Rey. 

Su primer entrenador txuri urdin fue Jagoba Arrasate completando un total de 17 partidos y 2 goles hasta final de temporada, las sensaciones que dejó sobre los aficionados donostiarras fueron muy buenas. Ya en la temporada 2014/2015 el 16 txuri urdin jugaba 36 partidos en los que anotó 4 goles y dio 3 asistencias. En esta temporada fue cesado Jagoba Arrasate en el mes de noviembre, teniendo también continuidad con su sucesor David Moyes. 

La temporada 2015/2016 también tuvo un cambio de entrenador en el mes de noviembre, Eusebio sucedió a Moyes. Aunque Canales empezaba de suplente en los primeros partidos de liga, el pésimo juego del conjunto provocó que se hiciera con la titularidad sentando en el banquillo al capitán Xabi Prieto. El mes de diciembre de 2015 será un mes que Sergio no olvidará en mucho tiempo, el 30 de diciembre de fracturaba por tercera vez el ligamento cruzado, esta vez en la rodilla izquierda. 7 meses de baja después Canales volvía a saltar al campo, aunque esta vez comenzando los partidos desde el banquillo.

A pesar de no ser un habitual de los onces iniciales de Eusebio en la temporada 2016/2017 es el suplente con más minutos. Canales ha disputado la mayoría de encuentros oficiales aunque en la mayoría de ocasiones ha sido entrando como suplente. La excelente campaña que están realizando Illarramendi, Zurutuza y Xabi Prieto en el centro del campo han hecho que el cántabro tenga complicada su participación con el equipo.