27 maja 2008 Pawluczenko został powołany przez selekcjonera reprezentacji Guusa Hiddinka do 23-osobowej kadry na Mistrzostwa Europy 2008. Tam został podstawowym zawodnikiem i stworzył atak z napastnikiem Zenitu Petersburg, Andriejem Arszawinem. W pierwszym grupowym spotkaniu z Hiszpanią (1:4) zdobył gola w 86. minucie. W kolejnym meczu, wygranym 1:0 z Grecją, Pawluczenko zagrał przez pełne 90 minut, podobnie jak w następnym ze Szwecją. W 24. minucie tego meczu strzelił gola, a Rosja ostatecznie wygrała 2:0. W 56. minucie ćwierćfinałowego spotkania z Holandią Pawluczenko zdobył swoją trzecią bramkę na Euro 2008, a Rosjanie ostatecznie wygrali 3:1 po dogrywce i awansowali do 1/2 finału. W półfinale z Hiszpanią Pawluczenko zagrał przez 90 minut, jednak zespół Guusa Hiddinka uległ 0:3 i na koniec turnieju zajął 3. miejsce ex aequo z Turcją. Po Euro 2008 UEFA wybrała Pawluczenkę i jego trzech rodaków Jurija Żyrkowa, Konstantina Zyrianowa i Andrieja Arszawina do najlepszej drużyny turnieju.