2010 FIFAワールドカップ・ヨーロッパ予選ではエストニアやボスニア・ヘルツェゴビナ戦にも勝利し、10戦全勝で予選を終えた。前評判では優勝候補の筆頭として2010 FIFAワールドカップに臨み、大会での躍進が期待された。南アフリカで開催された本大会グループリーグではスイス、ホンジュラス、チリと同組となり、初戦のスイス戦には0-1で敗れたが、ホンジュラス戦にはビジャの2得点で、チリ戦には2-1で勝利した。決勝トーナメント1回戦ではポルトガルに1-0で勝利し、準々決勝ではパラグアイに1-0で勝利した。1950年大会以来となる4強入りを決め、準決勝のドイツ戦ではカルレス・プジョルが頭で決勝点を決めて決勝に進んだ。決勝のオランダ戦は延長までもつれ込んだが、セスク・ファブレガスのパスからアンドレス・イニエスタが決勝点を挙げ、スペインは初のFIFAワールドカップ優勝を飾った。決勝は非常に荒っぽい試合となり、スペインは5枚、オランダは9枚のイエローカードと1枚のレッドカードを提示され、決勝での最多カード数を更新した。スペインは8得点2失点で大会を終えたが、得点と失点のいずれも大会最少記録となった。また、決勝までの4試合を無失点で終えた初のチームとなり、開幕戦に敗れながら優勝した初の国となった。過去に自国が存在する大陸以外の国で優勝したのはブラジル（スウェーデンで開催された1958年大会、日本と韓国で共催された2002年大会で優勝）だけであり、またヨーロッパ外で開催された大会で優勝したヨーロッパ初の国となった。また、ヨーロッパの他の優勝経験国（イタリア、ドイツ、イングランド、フランス）はいずれも自国開催大会での優勝経験がある。連続するワールドカップと欧州選手権をいずれも優勝したのは1972年大会～1974年大会の西ドイツ、1998年大会～2000年大会のフランスに次いで3チーム目であり、地元開催の大会を含まない達成は史上初となった。スペインは2大会連続でFIFAフェアプレー賞を受賞し、多くの選手が個人賞を受賞した。2失点に抑えたキーパーのイケル・カシージャスはゴールデングローブ賞を受賞し、5得点1アシストのビジャはブロンズボール（優秀選手賞）とシルバーブーツ（得点ランキング2位）を受賞した。