Après le Mondial 2010, Laurent Blanc, tout récemment nommé sélectionneur des Bleus, convoque Mathieu Valbuena en pour les deux premiers matchs des éliminatoires de l'Euro 2012. Au départ, Laurent Blanc le voit plutôt comme une doublure de Jérémy Ménez, mais à la suite de la performance plutôt décevante de Ménez face à la Biélorussie et à la blessure de Loïc Rémy, Valbuena est titulaire sur le côté droit face à la Bosnie-Herzégovine et réalise un match très correct, délivrant notamment une passe décisive à Florent Malouda sur le second but des Bleus. Il marque ensuite son second but en sélection à Wembley contre l'Angleterre pour doubler la mise en faveur de l'équipe de France le . En 2012, il fait partie des joueurs sélectionnés par Blanc pour disputer l'Euro. Régulièrement utilisé par Laurent Blanc lors des matchs de préparation, il ne joue aucune minute de la compétition qui voit la France atteindre les quarts de finale, éliminée par l'Espagne (0-2).