С 2006 года играет за сборную Испании, участник чемпионата мира 2006 года. Стал самым молодым футболистом, игравшим за сборную Испании на чемпионатах мира — 19 лет и 41 день (в игре с Украиной 14 июня). В 2008 году, вместе со сборной выиграл чемпионат Европы. Победитель чемпионата мира 2010. 11 июля 2010 года в финале чемпионата мира на 116-й минуте отдал голевой пас на Андреса Иньесту. Через два года сборная Испании вновь выиграла чемпионат Европы. Фабрегас забил 2 мяча и вошёл в символическую сборную турнира. Сеск является лидером по голевым передачам за всю историю национальной сборной (31), следом идут Давид Сильва и Хави (27).