ในเดือนกุมภาพันธ์ 2544 ตอร์เรสชนะเลิศทัวร์นาเมนต์อัลการ์ฟกับทีมชาติสเปนชุดอายุไม่เกิน 16 ปี ในเดือนพฤษภาคม ที่มีได้ลงแข่ง ในฟุตบอลชิงแชมป์ยุโรป รุ่นอายุไม่เกิน 16 ปี และชนะเลิศ โดยตอร์เรสยิงประตูชัยซึ่งเป็นประตูเดียวในนัดชิงชนะเลิศ[8] ตอร์เรสยิงประตูได้มากที่สุดในการแข่งขัน (7 ประตูใน 6 เกม) และได้รับเลือกให้เป็นนักกีฬายอดเยี่ยม

ในปี พ.ศ. 2546 ตอร์เรสได้ลงเล่นเป็นครั้งแรกให้กับทีมชาติสเปนในวันที่ 6 กันยายน ในการแข่งกระชับมิตรกับโปรตุเกส ตอร์เรสยิงประตูแรกให้ทีมชาติได้ในวันที่ 28 เมษายน พ.ศ. 2547 โดยแข่งกับอิตาลี เมื่อปิดฤดูกาล ตอร์เรสได้รับเลือกให้เป็นส่วนหนึ่งของทีมชาติสเปน เพื่อแข่งในฟุตบอลชิงแชมป์ยุโรปปี 2547 ตอร์เรสได้ลงสนาม โดยการเปลี่ยนตัว ใน 2 เกมแรกในรอบแบ่งกลุ่มของสเปน แต่ได้ลงสนามเป็นตัวจริงในการแข่งนัดชี้ชะตากับโปรตุเกส ตอร์เรสยิงชนเสาในนาทีที่ 62 หลังจากนูโน โกเมส ยิงให้โปรตุเกสนำ ในนาทีที่ 57 สเปนแพ้ไป 1-0 และตกรอบ

ในการลงแข่งครั้งแรกในฟุตบอลโลกในปี พ.ศ. 2549 ในประเทศเยอรมนี ตอร์เรสยิงประตูสุดท้าย ในเกมที่ชนะยูเครน 4-0 ด้วยลูกวอลเลย์ ในนัดที่สองรอบแบ่งกลุ่ม ตอร์เรสยิง 2 ประตูในนัดเจอตูนิเซีย ประตูแรกในนาทีที่ 76 ทำให้สเปนนำ 2-1 และอีกลูกจากจุดโทษ ในนาทีที่ 90 ตอร์เรสไม่ได้ลงในนัดกระชับมิตรกับโรมาเนีย ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2549 แต่ได้ลงเล่นในนัดกระชับมิตรกับอังกฤษ ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2550 โดยสเปนชนะไป 1-0

ในฟุตบอลชิงแชมป์ยุโรป ปี 2551 รอบคัดเลือก ตอร์เรสยิงประตูแรกในนัดเจอกับลิกเตนสไตน์ ซึ่งสเปนชนะไป 4-0 ตอร์เรสยิงลูกเสียบมุมประตู จากระยะ 11 เมตร ตอร์เรสได้ลงเล่นในนัดเจอกับไอร์แลนด์เหนือ ซึ่งสเปนแพ้ 3-2 สเปนได้แข่งกับสวีเดน และแพ้ไป 2-0 ในนัดนี้ ในนัดเจอเดนมาร์ก ตอร์เรสได้เปลี่ยนตัวลงมาเล่นในนาทีที่ 64 แต่ไม่สามารถยิงประตูได้ แต่สเปนก็ชนะไป 2-1 ตอร์เรสเป็นตัวสำรองอีกครั้ง แต่ได้เปลี่ยนตัวลงมาในนาทีที่ 43 แทนเฟร์นันโด โมเรียนเตส ตอร์เรสยิง 2 ครั้ง แต่ไม่ตรงกรอบทั้งสองครั้ง แต่สเปนยังชนะ 1-0 จากประตูของอีเนียสตาในนาทีที่ 80 ตอร์เรสไม่ได้ถูกเลือกในนัดที่สเปนชนะลัตเวีย 2-0 และนัดเจอลิกเตนสไตน์ 2-0 ตอร์เรสได้ลงเล่นในนัดเสมอ 1-1 กับไอซ์แลนด์ ชาบี อาลอนโซเพื่อนร่วมทีมลิเวอร์พูล โดนใบแดงไล่ออก ในนัดเจอลัตเวีย ตอร์เรสยิงได้ 1 ประตู สเปนได้เป็นที่ 1 ของกลุ่ม และตอร์เรสยิงให้สเปนได้ 2 ประตู

ในฟุตบอลชิงแชมป์แห่งชาติยุโรป 2012 ตอร์เรสยิงประตูได้ 3 ประตู ในเกมที่ชนะทีมชาติไอร์แลนด์ 4-0 สองลูก และในนัดชิงชนะเลิศที่สเปนชนะอิตาลี 4-0 อีกหนึ่งลูก คว้าดาวซัลโวร่วมกับคริสเตียโน โรนัลโด, มารีโอ โกเมซ, มารีโอ บาโลเตลลี, อลัน ดซาโกเอฟ และมารีออ มันจูคิช แต่ตอร์เรสได้รับรางวัลดาวซัลโวรองเท้าทองคำ เนื่องจากยิงได้ 3 ประตู จ่ายให้เพื่อนยิง 1 ลูกและลงเล่นในเวลาที่น้อยกว่า 5คนที่เป็นดาวซัลโวร่วม เขาจึงได้รับรางวัลดาวซัลโวพร้อมแชมป์ยูโร 2012 กับสเปนไปครอง โดยก่อนหน้าที่จะมาทำศึกฟุตบอลยูโร 2012 เขายิงได้ในเกมอุ่นเครื่องกับทีมชาติเกาหลีใต้ได้อีก 1 ลูก