Na mistrzostwach Europy 2008, Fàbregas występował na koszulce z numerem 10 zamiast z 18, z którym grał poprzednio. Pomimo że głównie wchodził na boisko z ławki rezerwowych, miał wkład w sukces reprezentacji. W wygranym 4:1 meczu z Rosją zdobył swojego pierwszego gola w kadrze, asystował również przy jednej z bramek. Hiszpania wygrała wszystkie trzy spotkania grupowe, a w ćwierćfinale zmierzyła się z Włochami. W meczu tym, który rozstrzygnęły rzuty karne, Fàbregas wykorzystał decydującą jedenastkę, zapewniając tym samym drużynie awans do kolejnej fazy rozgrywek. W półfinale Hiszpania pokonała Rosję 3:0, a Fàbregas asystował przy dwóch golach. Hiszpan znalazł się w wyjściowej jedenastce, która zwyciężyła 1:0 w finale z Niemcami, co było zarazem pierwszym triumfem Hiszpanii na mistrzostwach Europy od 1964. Za swoją dobrą grę został wybrany przez Zespół Techniczny UEFA do 23-osobowej Drużyny Turnieju.