Under Fotbolls-EM 2008 bytte Fàbregas från tröjnummer 18 som han tidigare haft till nummer 10. Trots att han mest var avbytare, bidrog han förtjänstfullt vid EM 2008. Han gjorde sitt första landslagsmål i Spaniens 4–1-seger över Ryssland och gjorde även en assist i den matchen. Spanien vann alla sina tre gruppmatcher och mötte Italien i kvartsfinalen. I den matchen satte Fàbregas den vinnande straffen i straffläggningen då det fortfarande stod 0–0 efter övertid. I semifinalen besegrade Spanien Ryssland med 3–0 och Fàbregas gjorde två assist. Fàbregas startade i finalen mot Tyskland där Spanien vann med 1–0, vilket var Spaniens första stora titel sedan 1964. Efter sina insatser blev Fàbregas uttagen i "Team of the Tournament", en 23-manna trupp vald av UEFA:s Tekniska Team.