Pod koniec 2006 Villa stał się kluczowym piłkarzem reprezentacji, zajmując w niej miejsce Raúla Gonzáleza. Swoją klasę udowodnił w kwalifikacjach do Mistrzostw Europy 2008, zdobywając sześć bramek w meczu z Liechtensteinem. Został powołany na mistrzostwa, gdzie nawiązał wyjątkowo dobre relacje z Fernandem Torresem i wspólnie celebrował z nim strzelane gole. Villa zdobył hat-tricka w wygranym 4:1 spotkaniu z Rosją, dzięki czemu stał się pierwszym zawodnikiem od czasu Patricka Kluiverta z turnieju w roku 2000 i siódmym w historii całych mistrzostw, któremu udała się ta sztuka. Po trzecim trafieniu podbiegł do siedzącego na ławce Torresa, by wspólnie z nim cieszyć się ze zdobytej bramki. W następnym meczu ze Szwecją w 92. minucie zapewnił drużynie wygraną 2:1. W ćwierćfinale z Włochami doszło do serii rzutów karnych, w której Hiszpania zwyciężyła 4:2, a Villa wykorzystał pierwszą wykonywaną przez zespół jedenastkę.