Nel giugno 2021 è tra i convocati per la fase finale dell'europeo itinerante del 2020, posticipato di un anno a causa della pandemia di COVID-19. Vinto il ballottaggio con Belotti, Immobile ben si comporta nella fase a gironi, andando a segno nella gara inaugurale dell'11 giugno a Roma contro la , in cui realizza il momentaneo raddoppio nel 3-0 finale, per poi ripetersi nella partita seguente contro la , siglando il definitivo 3-0. Le sue prestazioni risultano meno brillanti nella successiva fase a eliminazione diretta, dove non riesce più a trovare la via del gol; mantiene comunque la maglia da titolare fino alla finale di Wembley dell'11 luglio, in cui l'Italia supera i padroni di casa dell' ai tiri di rigore e vince il secondo titolo continentale della sua storia.