Al Mondiale 2002 in Giappone e Corea del Sud, Cannavaro ripeté le buone prestazioni di cui era stato autore al campionato europeo di due anni prima. Fu costretto a saltare l'ottavo di finale contro la Corea del Sud, perso dall'Italia al golden gol, a causa di una squalifica per due ammonizioni ricevute nel corso della fase a gironi. Dopo l'abbandono di Paolo Maldini, Cannavaro ereditò la fascia di capitano e guidò la nazionale, allora allenata da Giovanni Trapattoni, all'Europeo 2004 in Portogallo. Delle tre partite giocate dall'Italia, eliminata al primo turno per differenza reti, Cannavaro ne giocò due, in quanto saltò per squalifica la terza partita del girone, vinta inutilmente contro la Bulgaria.