Pavljutjenko var i strålkastarljuset då han gjorde båda målen i en avgörande EM-kvalmatch mot England, då Ryssland vann med 2–1. I EM 2008 fick han sitt stora internationella genombrott med totalt tre mål. Det första gjorde han mot Spanien genom 1–3-reduceringen i 86:e minuten. Andra målet kom mot Sverige, då han gjorde 1–0 i 24:e minuten; Ryssland vann matchen med 2–0 med Andrej Arsjavin som sista målskytt i 50:e minuten. Ryssland vann sedan kvartsfinalen mot Nederländerna med 3–1, 1–0-målet gjorde Pavljutjenko 56:e minuten. Ryssland förlorade sedan semifinalen mot Spanien med 3–0.