Toen in 2004 het Europees Kampioenschap in Portugal lonkte, leek Vonlanthen een kans te krijgen in het Zwitsers nationaal elftal. Aanvankelijk werden die geruchten tenietgedaan doordat Vonlanthen voor het EK onder-21 in Duitsland werd geselecteerd. Zwitserland onder-21 werd na vier wedstrijden uitgeschakeld, maar voor Vonlanthen was er een meevaller: hij mocht toch mee naar het EK. Voor het toernooi raakten de spitsen Streller en Léonard Thurre geblesseerd, en moest de bondscoach op zoek naar vervangende spitsen. Het leek te gaan tussen Vonlanthen en Juventus-speler Davide Chiumento (die op dat moment ook nog moet kiezen tussen de Zwitserse en de Italiaanse nationaliteit). Op 2 juni werd Vonlanthen dan gekozen voor de selectie en hij mocht samen met ploeggenoot Johann Vogel afreizen naar Portugal. Vonlanthen was meteen een van de jongste spelers op het toernooi (op Igor Akinfeev en Valeri Bojinov na). In de voorbereiding op het EK maakte Vonlanthen zijn debuut: bij de met 1-0 gewonnen wedstrijd tegen Liechtenstein mocht Vonlanthen acht minuten voor tijd invallen. Toen het EK begon, kwam Vonlanthen tweemaal in de recordboeken: tijdens de tweede groepswedstrijd (Engeland-Zwitserland) viel Vonlanthen in en was daarmee de op een na jongste debutant op een EK ooit. Alleen de Belg Enzo Scifo was jonger. De wedstrijd erna (Zwitserland-Frankrijk) stond Vonlanthen in de basis en maakt de 1-1 in de wedstrijd. Daarmee was hij de jongste doelpuntenmaker op een EK ooit. Vonlanthen was toen 18 jaar, 4 maanden en 20 dagen oud. Na het toernooi bleef Vonlanthen vaste keus voor het Zwitsers elftal.