Ο Πανσερραϊκός στο τέλος της ίδιας περιόδου (1964-65) κέρδισε την άνοδό του στην Α' Εθνική κατηγορία, έπειτα από αγώνες μπαράζ, όπου και συμμετείχε για έξι συναπτά έτη, μέχρι και την περίοδο 1970-71.[1] Η παραμονή του στη Β' Εθνική υπήρξε πολύ σύντομη καθώς κατά την περίοδο 1971-72 κατέκτησε την πρώτη θέση του τελικού βαθμολογικού πίνακα.[1]
Από το φθινόπωρο του 1972 μέχρι και το καλοκαίρι του 1979, έτος κατά το οποίο συστάθηκε η «Μ.Γ.Σ. Πανσερραϊκός ΠΑΕ»,[2][3] οπότε και κατετάγη τελευταίος στη βαθμολογική κατάταξη, ο σύλλογος αγωνίστηκε στην Α' Εθνική, η μακρύτερη παραμονή της ιστορίας του στην κορυφαία κατηγορία των ελληνικών πρωταθλημάτων.[1] Μετά από ένα ακόμη σύντομο πέρασμά του από την Β' Εθνική (1979-80) ο Πανσερραϊκός επανήλθε στην Α' Εθνική, όπου και παρέμεινε για τέσσερις περιόδους ως το 1983-84, οπότε και τερμάτισε τελευταίος.[1]
Ακολούθησε ένα χρονικό διάστημα εναλλασόμενων ανόδων και πτώσεων μέχρι και την περίοδο 1989-90, οπότε και κατόρθωσε να παραμείνει σταθερά στην Α' Εθνική για τρία χρόνια.[1] Το πέρας της περιόδου 1992-93 βρήκε το σύλλογο σε πολύ κακή κατάσταση, καθώς υποβιβάστηκε για πρώτη φορά στην ιστορία του στη Γ' Εθνική.[1] Την επόμενη χρονιά κατέκτησε το Πρωτάθλημα της κατηγορίας επιστρέφοντας στη Β' Εθνική (1994-95), μόνο για να ξαναπέσει στην επόμενη (1995-96).[1]
Από την αγωνιστική περίοδο 1996-97 μέχρι και την 2007-08 ο Πανσερραϊκός φιλοξενήθηκε σταθερά στη Β' Εθνική με κυμαινόμενη απόδοση, φτάνοντας όχι ψηλότερα από την 4η θέση.[1] Ωστόσο την άνοιξη του 2008 κατέκτησε το Πρωτάθλημα της κατηγορίας επιστρέφοντας στην Α' Κατηγορία (πλέον Σούπερ Λίγκα) μετά από 16 χρόνια.[1] Η κατάληψη της 16ης θέσης κατά την περίοδο 2008-09 σήμαινε, ωστόσο, και τον υποβιβασμό του συλλόγου στη Β' Εθνική.[1]
Την χρονιά 2009-2010 όμως, και παρά το κακό ξεκίνημά του, ο Πανσερραϊκός κατάφερε τελικά να τερματίσει στην 5η θέση της κανονικής περιόδου και, μέσα από τη διαδικασία των μπαράζ ανόδου, να κερδίσει το 3ο εισιτήριο για την SuperLeague 2010-2011.[1]. Την επόμενη σεζόν ο Πανσερραϊκός τερμάτισε 16ος (τελευταίος) στην Σούπερ Λίγκα. Την χρονιά 2011-12 ο Πανσερραϊκός τερμάτισε 7ος στο πρωτάθλημα της Football League, ενώ την χρονιά 2012-13 τερμάτισε 8ος αλλά υποβιβάστηκε στην νέα Γ' Εθνική κατηγορία λόγω οικονομικών προβλημάτων.
Την περίοδο 2015-16, έπειτα από δύο περιόδους στη Γ΄ Εθνική κατηγορία, η ομάδα μετείχε στη Β΄ Εθνική κατηγορία (Football League), με την επωνυμία «ΠΑΕ Πανσερραϊκός 1964», μέχρι τη σεζόν 2017-18 οπού έπεσε κατηγορία εξαιτίας της μείωσης ομάδων στη Football League από 18 σε 16 και έπεσε στην Γ' Εθνική.[4][5][6][7]
Στην Γ' Εθνική την σεζόν 2018-19 ο Πανσερραϊκός παρόλο το καλό ξεκίνημα τερμάτισε 3ος και παρέμεινε στη Γ' Εθνική ενώ τη σεζόν 2019-20 κατέκτησε αήττητος το πρωτάθλημα της Γ' Εθνικής και επέστρεφε στη Football League.
Σημείωση: Οι σημαίες αφορούν την εθνική ομάδα, σύμφωνα με τους κανόνες επιλεξιμότητας της FIFA. Οι παίκτες μπορεί να κατέχουν περισσότερες ιθαγένειες εκτός FIFA.