Cependant, il est bel et bien retenu par Prandelli dans le groupe des 23 sélectionnés pour l'Euro 2012 en Pologne et en Ukraine, à la suite d'une superbe saison 2011-12 avec la Juventus. Barzagli manque, sur blessure, les premiers matchs de son pays contre l'Espagne et la Croatie avant de revenir pour le succès 2-0 sur l'Irlande, qui qualifie les "Azzurri" pour les quarts de finale. À ce stade de la compétition, la présence de Barzagli s'avère cruciale car son coéquipier en club, Giorgio Chiellini, a subi une blessure. À l'occasion du quart de finale contre l'Angleterre, Barzagli est associé en défense centrale à un autre "bianconero", Leonardo Bonucci. Les deux réalisent une prestation de grande qualité pour museler Wayne Rooney et tout le secteur offensif anglais. L'Italie s'impose 4-2 aux tirs au but. En demi-finale contre l'Allemagne, Andrea Barzagli est de nouveau titulaire, et participe à un remarquable succès italien sur le score de 2-1. Malheureusement, la finale de cet Euro, à laquelle participe Barzagli, sera beaucoup plus impitoyable pour les Italiens, battus 4-0 par l'équipe d'Espagne.