Op 1 maart 2006 debuteerde Fàbregas in het A-elftal van Spanje in het met 3–2 gewonnen oefenduel tegen Ivoorkust. Fàbregas gaf de assist op David Villa voor de eerste Spaanse treffer. In 2006 behoorde de Catalaan tot de Spaanse selectie voor het WK. Fabregas werd door bondscoach Luis Aragonés opgenomen in de 23-koppige selectie voor het EK 2008. Hoewel hij het toernooi startte als wisselspeler, scoorde hij tegen Rusland in de groepsfase en schoot hij tegen Italië (0–0) in de kwartfinale de beslissende strafschop binnen. In de halve finale won hij met Spanje 3–0 tegen Rusland. En hij speelde ook in de finale, die Spanje uiteindelijk won met 1–0 tegen Duitsland. Een jaar later nam Fàbregas met "La Furía Roja" deel aan de FIFA Confederations Cup 2009. In 2010 won Fàbregas met Spanje het WK. Hij begon de finale op 11 juli tegen Nederland als bankzitter, maar mocht in de 88e minuut binnen de lijnen komen. De stand was op dat moment 0–0. In de tweede helft van de verlenging schoot Andrés Iniesta op aangeven van Fàbregas de winnende treffer binnen. Hij won met Spanje ook het EK 2012 in Polen en Oekraïne, waarop hij in de openingswedstrijd tegen Italië het eerste doelpunt maakte. Hij scoorde ook tegen Ierland en gaf een assist op David Silva in de finale.