12 maja 2016 został powołany przez Adama Nawałkę do szerokiej kadry na Mistrzostwa Europy 2016 we Francji. 30 maja 2016 Adam Nawałka oficjalnie powołał go do ścisłego składu na mistrzostwa Europy. Na Euro 2016, Polska, po pokonaniu Irlandii Północnej (1:0) i Ukrainy (1:0), a także po bezbramkowym remisie z Niemcami, zajęła drugie miejsce w grupie C i po raz pierwszy w historii awansowała do fazy pucharowej Mistrzostw Europy. Następnie po wyeliminowaniu w 1/8 finału, Szwajcarii (1:1, k. 5:4), odpadła dopiero w ćwierćfinale po porażce w rzutach karnych (1:1, k. 3:5) z Portugalią. Lewandowski, jako kapitan zespołu, wystąpił we wszystkich 5 meczach kadry na turnieju i strzelił 1 gola – we wspomnianym meczu ćwierćfinałowym z Portugalią, kiedy to w 100. sekundzie spotkania, po asyście Kamila Grosickiego, strzelił drugą najszybszą bramkę w historii Mistrzostw Europy.