Ngày 9 tháng 6, Willems có mặt trong đội hình chính thức của Hà Lan gặp Đan Mạch ở lượt trận đầu của bảng B Euro 2012 và đã lập kỷ lục là cầu thủ trẻ nhất ra sân ở một vòng chung kết UEFA Euro lúc 18 tuổi 71 ngày, phá kỷ lục cũ của Enzo Scifo lập khi khoác áo đội tuyển Bỉ lúc 18 tuổi 115 ngày khi ra sân ở trận gặp Nam Tư tại vòng chung kết Euro 1984. Anh có mặt trong cả ba trận đấu vòng bảng nhưng đội tuyển Hà Lan đã bị loại khỏi giải sau khi thua cả ba trận đấu này.