Par la suite, le jeune Lyonnais est régulièrement appelé en équipe nationale. Il participe notamment à cinq matchs qualificatifs pour le championnat d'Europe 2008. Le , il inscrit son premier doublé face aux Îles Féroé après avoir remplacé Nicolas Anelka à la mi-temps. Benzema est alors retenu dans la liste des 23 joueurs français établie par Raymond Domenech pour participer à l'Euro 2008. Titulaire à la pointe de l'attaque tricolore lors de deux des trois matchs de poule, il est associé à Nicolas Anelka face à la Roumanie (0-0) puis à Thierry Henry lors de la troisième journée face à l'Italie, pour une défaite 2 à 0. Entre-temps, Benzema voit l'équipe de France battue sèchement par les Pays-Bas (4-1) du banc de touche. Après un nul et deux défaites, la France quitte la compétition à la dernière place de son groupe.