Fàbregas blev uttagen i 23-mannatruppen till EM 2012. I öppningsmatchen av grupp C mot Italien, spelade Fàbregas från start och han gjorde även ett mål i matchen som slutade 1–1. Han gjorde även mål i matchen efter mot Irland som Spanien vann med 4–0. I semifinalen möttes Spanien och Portugal i en match som slutade mållöst och gick vidare till straffsparksläggning. Väl där satte Fàbregas den avgörande straffen som tog Spanien vidare till final. Finalen slutade med en 4–0-vinst för Spanien och Fàbregas gjorde en assist till David Silvas öppningsmål.