Ramos återvände till hjärtat av försvaret under EM 2012 i Polen/Ukraina. När han blev frågad om sitt positionsbyte kommenterade han: "Jag har anpassat mig och känner mig bekväm i mitten, men jag är en världs- och Europamästare som högerback." Han startade alla gruppspelsmatcher och Spanien gick vidare efter två vinster och en oavgjord match, mot Italien. Spanien vann gruppen och besegrade Frankrike i kvartsfinalen efter två mål från Xabi Alonso. Semifinalen mot Portugal gick till straffläggning efter 120 mållösa minuter med flera bra chanser för båda lagen. Båda lagen missade sina första straffar och Ramos satte sedan sin straff genom att chippa in den i mitten av målet i Panenka-stil och Spanien vann strax efter straffläggningen med 4–2 och nådde EM-finalen igen. Spanien utklassade sedan Italien i finalen med 4–0 vilket gav Spanien en historisk trippel; Spanien blev det första landet att försvara sin EM-titel samt att vinna tre stora turneringar i rad. Ramos vann även turneringens Castrol EDGE Index; Spanien släppte bara in ett mål i turneringen, mot Italien i gruppspelet.