Pour l'Euro 2008, Fàbregas porte le , à la place du 18. Il ne joue essentiellement que comme remplaçant, mais son impact sur le parcours de l'Espagne est considérable. Il inscrit son premier but en équipe nationale lors de cette compétition, lors de la victoire 4-1 face à la Russie. L'Espagne gagne ses deux autres matchs de poule et rencontre l'Italie en quarts de finale. Le match, fermé, se termine aux tirs au but, et c'est Fàbregas qui inscrit le pénalty de la victoire. En demis, il distribue deux passes décisives, et son équipe écrase la Russie 3 à 0. En finale, Fàbregas est titulaire contre l'Allemagne, et après 44 ans de disette, l'Espagne remporte enfin un titre majeur, grâce au but de Fernando Torres. Fàbregas termine meilleur passeur du tournoi (3 passes décisives), à égalité avec Hamit Altintop. Il est enfin sélectionné dans l'équipe type du tournoi, constituée de 23 joueurs désignés par l'équipe technique de l'UEFA.