Im Jahr 2008 holte Hambüchen bei den Europameisterschaften in Lausanne in den Disziplinen Reck, Mannschaftsmehrkampf und Boden jeweils eine Gold-, Silber- und Bronzemedaille. Bei den Olympischen Sommerspielen 2008 in Peking gewann er am Reck die Bronzemedaille, erreichte am Boden und am Barren den vierten und im Mehrkampffinale den fünften Platz. Anfang April 2009 gewann Hambüchen zum Auftakt der Europameisterschaften in Mailand als erster Deutscher den Mehrkampftitel vor dem Briten Daniel Keatings und Juri Rjasanow aus Russland und zusätzlich den Europameistertitel am Boden. Zu den Weltmeisterschaften in London reiste Hambüchen zwar an, beim Training erlitt er aber einen Außenbandriss im linken Knöchel, sodass er nicht teilnehmen konnte.