En 2005, il participe à la Coupe du monde des moins de 20 ans qui se déroule aux Pays-Bas. Âgé de 18 ans, Fàbregas mène son équipe jusqu'en quart de finale face aux Argentins de Lionel Messi. Les jeunes espagnols s'inclinent sur le score de 3-1 face aux futurs vainqueurs de l'épreuve.