Met het Spaans elftal speelde Fàbregas al op diverse jeugdtoernooien (zowel EK als WK). Op het WK –17 van 2003 in Finland ontving hij de "Gouden Bal" voor beste speler van het toernooi en de "Gouden Schoen" voor topscorer van het toernooi (vijf doelpunten). Spanje eindigde op dat WK op de tweede plaats. Op het Europees kampioenschap voetbal mannen onder 17 in 2004 werd Fàbregas met Spanje wederom tweede. In de zomer van 2005 nam Fàbregas met Spanje deel aan het wereldkampioenschap voetbal onder 20 in Nederland. Spanje won alle groepswedstrijden, maar in de kwartfinale was Argentinië met 3–1 te sterk.