2012年にポーランドとウクライナで共催されたEURO2012は、セスク・ファブレガスとポジションを争う形となったり、0トップの戦術が採用された影響もあり、出場時間が限られる形となったがグループリーグ2戦目のアイルランド戦で2ゴール。さらに決勝のイタリア戦で1ゴール1アシストを決め、大会の得点王に輝いた。（なおドイツ代表のマリオ・ゴメスも同じ3ゴール1アシストをマークしており並んでいたが出場時間が大会通じて約一試合フル出場分少なかったトーレスが単独得点王扱いとなった。）