Torres este internațional spaniol, debutând pentru naționala țării sale într-un meci contra Portugaliei în 2003. De atunci, a participat la șase turnee finale: Campionatul European din 2004, Campionatul Mondial din 2006, Campionatul European din 2008, Campionatul Mondial din 2010, Campionatul European din 2012, Campionatul Mondial din 2014. În turneul din 2004 nu a marcat niciun gol, dar la Cupa Mondială din 2006 a înscris de trei ori. Torres este autorul golului victoriei în finala câștigată de Spania cu 1–0 în fața Germaniei în finala Campionatului European din 2008. După aceasta el a participat la Cupa Confederațiilor din 2009 unde a marcat cel mai rapid hat-trick din istoria competiției și din istoria Nationalei Spaniei, după doar 17 minute, iar la Cupa Mondială din 2010 nu a marcat deoarece revenea după o accidentare. La Campionatul European din 2012 a marcat de 3 ori, 1 gol fiind înscris în finala împotriva Italiei, meci în care a mai dat o pasă decisivă ce l-a ajutat să devină golgheterul competiției, cel mai bun marcator al Spaniei la campionatele europene cu 5 goluri și singurul jucător care marchează în două finale consecutive de Campionat European câștigate.