Fàbregas togs ut till Bosques 23-mannatrupp till Fotbolls-VM 2010. Med del Bosque som föredrog Sergio Busquets, Xabi Alonso, Xavi och Andrés Iniesta som startspelare på mittfältet fick Fàbregas inte vara med från start i någon match i hela tävlingen. Han var med som avbytare i fyra av Spaniens sju matcher, där Spanien förlorade sin inledningsmatch innan de vann de kommande sex matcherna fram till finalen. I finalen blev Fàbregas inbytt i den 87:e minuten, då han på övertid spelade fram till Iniesta som gjorde det avgörande målet, vilket betydde att Spanien vann VM för första gången någonsin.