Van Marwijk jej vzal i na Mistrovství Evropy 2012 v Polsku a na Ukrajině, kde Nizozemsko prohrálo v základní skupině B všechny tři zápasy (v tzv. „skupině smrti“ postupně 0:1 s Dánskem, 1:2 s Německem a 1:2 s Portugalskem) a skončilo na posledním místě. Willems odehrál všechny tři zápasy ve skupině a ve věku 18 let a 71 dní se stal nejmladším hráčem historie Mistrovství Evropy ve fotbale (překonal rekord 18 let a 115 dní Belgičana Enza Scifa z roku 1984).