Im ersten Gruppenspiel der Europameisterschaft am 9. Juni 2012 erzielte er das Siegtor zum 1:0 gegen die Auswahl Portugals. Im zweiten Spiel am 13. Juni 2012 erzielte er beide Tore beim 2:1-Sieg gegen die Auswahl der Niederlande und wurde zum "Player of the Match" gewählt. Im letzten Gruppenspiel gegen Dänemark leistete er außerdem eine Vorlage beim 1:0 durch Lukas Podolski. Dennoch musste er sich in jedem Spiel den Platz als Sturmspitze mit Miroslav Klose teilen. In den ersten drei Spielen wurde Klose jeweils für ihn eingewechselt, im Viertelfinale gegen Griechenland bekam Klose den Platz in der Startelf und Gómez wurde eingewechselt. Im Halbfinale gegen Italien stand wieder Gómez in der Startelf, konnte die jedoch nicht verhindern. Mit drei Toren und einer Torvorlage wurde er Zweiter der Torschützenliste hinter dem Spanier Fernando Torres, der Gómez im Finale von Platz eins verdrängte und die gleiche Bilanz vorzuweisen hatte, hierfür jedoch weniger Einsatzminuten benötigte.