Cazorla bestritt sieben Spiele für die U21 seines Landes. Für die Europameisterschaft 2008 in Österreich und der Schweiz wurde Cazorla von Trainer Luis Aragonés für das A-Nationalteam nominiert. Im gegen Italien wurde er in der zweiten Halbzeit eingewechselt und war im anschließenden Elfmeterschießen einer der erfolgreichen Schützen für Spanien. Im Endspiel dieser Europameisterschaft wurde er ebenfalls in der zweiten Halbzeit eingewechselt und feierte mit dem Sieg über Deutschland den größten Titel seiner bisherigen Karriere. Bei der Europameisterschaft 2012 in Polen und der Ukraine wurde Cazorla während der Gruppenphase im Spiel gegen Irland und im Viertelfinale gegen die französische Auswahl eingewechselt und gewann mit seinem Team erneut den Titel.