במשחקי מוקדמות מונדיאל 2002 כבש ברבאטוב חמישה שערים, אך לא הצליח להוביל את נבחרתו לטורניר מונדיאל 2002 לאחר שזו סיימה את המוקדמות במקום השלישי בבית. גם במשחקי המוקדמות של יורו 2004 כבש ברבאטוב חמישה שערים. הוא סייע לקבוצתו לסיים במקום הראשון בית ח' של המוקדמות ולהעפיל אוטומטית לטורניר הגמר. במשחקי הטורניר לא כבש ברבאטוב ולו שער בודד, ובולגריה סיימה את שלב הבתים עם שלושה הפסדים בשלושה משחקים ועם שער זכות בודד. היה זה הטורניר היחיד אליו הצליח להעפיל ברבאטוב בימיו בנבחרת הבולגרית.