Suárez ble plukket i troppen til VM i fotball 2010 av trener Óscar Tabárez. Han spilte samtlige av Uruguays tre kamper i Gruppe A mot (0-0), (seier 3-0) og (seier 0–1). Suarez sørget for vinnermålet mot , og sikret dermed en klar gruppeseier foran Mexico. I sluttspillet skulle de møtte nr. 2 fra Gruppe B i 8-dels finalen, . Uruguay vant kampen 2-1 og gikk videre, etter to mål av Suárez, det siste ti minutter før full tid. Suárez ble kåret til «Kampens beste spiller». I kvartfinalen møtte Uruguay så . Det stod 1-1 etter full tid, og kvartfinalen gikk til ekstraomganger. Da 120 minutter av kampen var spilt reddet Suárez først et skudd på streken på stillingen 1-1 fra Stephen Appiah, før han brukte hånden til å stoppe et nytt skudd rett i mål fra Dominic Adiyiah. Suárez ble utvist, men Ghanas Asamoah Gyan brente straffesparket, vant den påfølgende straffekonkurransen og gikk videre til semifinale.. Suárez måtte på grunn av sitt røde kort stå over semifinalen mot , og måtte se sine lagkamerater tape 3-2 tilslutt..