Karena Belanda tidak lolos pada putaran final Piala Dunia 2002, van Nistelrooy tak kunjung menjalani debut turnamen pertamanya hingga Euro 2004, saat ia dan pemain , Milan Baroš, menjadi dua pemain yang mampu mencetak gol di seluruh pertandingan babak grup. Ia kembali masuk dalam skuat pilihan Marco van Basten untuk putaran final Piala Dunia 2006. Pada saat yang sama, ia juga terpilih menjadi duta dari FIFA/SOS. Ia selalu menjadi "starter" dan selalu ditarik keluar untuk digantikan, di seluruh pertandingan babak grup, dan hanya mampu mencetak satu gol (ke gawang ). Tanpa penjelasan apapun, van Nistelrooy dibangkucadangkan oleh van Basten pada babak 16 besar. Saat itu, ia hanya bisa duduk dan melihat timnya tersingkir oleh .