Bei der Fussball-Europameisterschaft 2004 in Portugal war er der zweitjüngste Spieler des Turniers. Das erste Spiel der Schweiz gegen Kroatien sah er von der Ersatzbank aus. Im zweiten Spiel gegen England wechselte ihn Trainer Köbi Kuhn in der 83. Minute für Hakan Yakin ein. Im letzten Spiel gegen Frankreich stand Vonlanthen in der Anfangself. Mit seinem Ausgleich zum 1:1 in der 26. Minute wurde er der jüngste Torschütze in der Geschichte der Fussball-Europameisterschaft. Diesen Rekord hatte erst vier Tage zuvor der drei Monate ältere Engländer Wayne Rooney für sich gesichert. Am Ende verlor die Schweiz die Begegnung mit 1:3 und schied nach der Vorrunde aus.