Вийя дебютира за националния отбор на Испания през 2005 г. Участва на световното първенство по футбол през 2006 г. като отбелязва 3 гола. На европейското първенство през 2008 г. Вийя вече е отвърден голмайстор и неизменна част от стартовия състав, вкарва 4 гола, ставайки голмайстор на първенството, а Испания става европейски шампион. През 2010 г. Вийя става световен шампион и получава Сребърна обувка на Световното първенство в Южна Африка за петте гола, които отбелязва. Вийя е футболистът с най-много голове за Испания – 59.