I landslagssammanhang spelade Fàbregas sin första match i det spanska U17-landslaget när han var med i U17-VM 2003 i Finland. Efter att ha gjort bra ifrån sig i klubblaget fick han debutera i A-landslaget 2006. Fàbregas har spelat i VM 2006, EM 2008 och VM 2010, EM 2012 där han i de tre senare bidrog till att Spanien blev mästare. Han spelade även i Världsmästerskapet i fotboll 2014.