Im Juli 2016 wurde Lopetegui neuer Trainer der spanischen Nationalmannschaft. In der Qualifikationsgruppe G führte er die Spanier mit neun Siegen und einem Unentschieden mit fünf Punkten Vorsprung vor Italien zur Weltmeisterschaft 2018 in Russland. Am 22. Mai 2018 verlängerte Lopetegui seinen Vertrag bis nach der Europameisterschaft 2020. Nachdem am 12. Juni 2018 verkündet worden war, dass Lopetegui nach der Weltmeisterschaft mittels einer Ausstiegsklausel zu Real Madrid wechseln werde, wurde er einen Tag später – zwei Tage vor dem WM-Auftaktspiel der Spanier gegen Portugal – entlassen. Als Grund für die kurzfristige Trennung wurde angegeben, Lopetegui habe den spanischen Fußballverband erst unmittelbar vor der Bekanntgabe des Wechsels informiert. Lopetegui absolvierte 20 Länderspiele, von denen er 16 gewann und vier unentschieden spielte.