Дзагоев был включен в заявку российской сборной на чемпионат Европы 2012 года. В первом матче турнира против сборной Чехии он вышел в стартовом составе, а на 15-й минуте забил первый гол российской сборной на этом турнире. На 79-й минуте отличился голом ещё раз и стал вторым в списке самых молодых авторов дубля в истории чемпионатов Европы после английского нападающего Уэйна Руни. Матч завершился со счётом 4:1 в пользу россиян, а по его итогам многими спортивными изданиями, болельщиками и УЕФА Дзагоев был признан лучшим игроком. 12 июня в матче с поляками (1:1) Дзагоев на 37-й минуте открыл счёт в матче, забив свой третий гол на Евро-2012 После матча Валерий Газзаев отметил, что полузащитник — «и сегодняшний день нашей сборной, и её будущее». В решающем матче сборная России уступила команде Греции 0:1 и не смогла выйти из группы. Несмотря на это, Дзагоев со своими тремя голами в группе стал одним из лучших бомбардиров всего турнира.