Im Amt des Kapitäns führte Mellberg an der Seite von Erik Edman, Andreas Jakobsson und Mikael Nilsson die Landesauswahl bei der Europameisterschaft 2004 ins Viertelfinale. Dort traf die Mannschaft auf die Auswahl der Niederlande. Nach 120 torlosen Minuten mussten die Mannschaft im Elfmeterschießen antreten. Nach jeweils fünf Elfmetern stand es 4:4-Unentschieden, da Zlatan Ibrahimović und Phillip Cocu nicht getroffen hatten. Anschließend hielt Edwin van der Sar Mellbergs Elfmeter und Arjen Robben verhalf den Niederländern zum Aufstieg ins Halbfinale.