V semifinále proti Španělsku, dne 6. července, po remíze 1:1 po prodloužení chytil v penaltovém rozstřelu penaltu Álvara Moraty, díky čemuž Itálie postoupila do finále turnaje. Dne 11. července odehrál celé finálové utkání proti Anglii na stadionu ve Wembley. Po remíze 1:1 po prodloužení, chytil Donnarumma během penaltového rozstřelu penalty Jadona Sancha a Bukaya Saky, a pomohl tak k turnajovému vítězství Itálie poprvé od roku 1968. Za své výkony v průběhu turnaje, včetně udržení tří čistých kont, provedení devíti zákroků a inkasování pouze čtyř branek v sedmi zápasech, byl jmenován hráčem turnaje podle UEFA (cenu získal jako historicky první brankář).