Az Európa-bajnokságon a B csoportba szerepeltek; Anglia, Oroszország és Szlovákia társaságában. A nyitómérkőzésükön Gareth Bale és Hal Robson-Kanu góljaival 2–1-re legyőzték Szlovákiát. A második mérkőzésükön Bale szabadrúgásgóljával megszerezték a vezetést, de végül 2–1-s vereséget szenvedtek. Az utolsó csoportmérkőzésen 3–0 arányban múlták felül Oroszországot. A nyolcaddöntőben Gareth McAuley öngóljával Észak-Írország ellen győztek 1–0-ra. A negyeddöntőben Belgiummal találkoztak. Radja Nainggolan révén a belgák szerezték meg a vezetést, de Ashley Williams rövidesen egyenlített. Az 55. percben Robson-Kanu megfordította a mérkőzés állását, majd nem sokkal a lefújás előtt Sam Vokes állította be a 3–1-s végeredményt. Ezzel Wales bejutott az elődöntőbe, ahol Portugália ellen 2–0-s vereséget szenvedett, így elmaradt a még nagyobb meglepetés. Walesnek így sem volt oka bánkódásra, hiszen története legjobb eredményét érte el a harmadik hely megszerzésével.