Nel giugno 2021 viene inserito nella lista dei 26 convocati per l'Europeo. Immobile gli viene preferito come centravanti titolare, ma Belotti scende in campo in sei partite della manifestazione e si rende protagonista nella semifinale contro la , realizzando il proprio rigore nella serie dei tiri di rigore che permette all'Italia di accedere alla finale. Nella finale dell'11 luglio a Wembley contro l'Inghilterra, prolungatasi nuovamente ai rigori, si laurea campione d'Europa pur sbagliando il proprio tiro dal dischetto, parato dal portiere inglese Pickford.