В целом, период работы во второй мадридской команде подтвердил статус Вильялонги как одного из лучших тренеров Испании и Европы на тот период. Поэтому не удивительным было назначение Пепе на должность главного тренера сборной Испании, с которой он через два года стал победителем чемпионата Европы. Финальная стадия турнира проходила в Испании и хозяева полностью — тактически и физически, — переиграли как сборную Венгрии, так сборную Советского Союза в финальной игре. После своего триумфа Вильялонга повёз сборную Испании на чемпионат мира 1966 года в Англию, но там испанцы выступили неудачно. После этого Вильялонга отошёл от футбола. В 22 матчах под руководством Вильялонги сборная Испании выиграла 9 встреч, 5 раз сыграла вничью и 8 матчей проиграла.