Vào tháng 2 năm 2001, Torres vô địch giải Algarve Tournament cùng đội tuyển U-16 Tây Ban Nha. Đội U-16 tham dự giải U16 vô địch châu Âu vào năm 2001 vào tháng 5, giải đấu mà họ cũng vô địch, với bàn thắng duy nhất ở trận chung kết ghi bởi Torres, và anh cũng kết thúc giải đấu với ngôi vị vua phá lưới, và cũng là cầu thủ xuất sắc nhất giải. Vào tháng 11 năm 2001, Torres góp mặt cùng Tây Ban Nha ở giải vô địch châu Âu lứa tuổi U-17, nhưng đội đã không thể vượt qua vòng bảng. Vào tháng 7 năm 2002, anh vô địch giải vô địch châu Âu lứa tuổi U-19. Anh kết thúc giải với ngôi vị vua phá lưới, và là cầu thủ xuất sắc nhất giải, và một lần nữa lại ghi bàn duy nhất ở trận chung kết.

Torres có trận đấu đầu tiên cho đội tuyển Tây Ban Nha vào ngày 6 tháng 9 năm 2003 trong trận tiếp đội tuyển Bồ Đào Nha. Bàn thắng đầu tiên của anh cho đội tuyển đến trong trận tiếp đội tuyển Ý vào ngày 28 tháng 4 năm 2004. Anh được chọn cho đội tuyển Tây Ban Nha ở Euro 2004. Sau khi vào sân muộn màng ở 2 trận đầu tiên ở vòng bảng của Tây Ban Nha, anh ra sân trong trận đấu quyết định với Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha thua 1-0, và đá cho đến hết hiệp 2, có một lần đưa bóng bật cột dọc.

Anh ghi 7 bàn trong 11 lần ra sân ở vòng loại World Cup 2006, là cầu thủ ghi nhiều bàn nhất cho Tây Ban Nha ở vòng loại, bao gồm cả cú hattrick đầu tiên của anh ở đội tuyển trong trận tiếp San Marino. Trong trận đấu đầu tiên ở World Cup, Torres ghi bàn thắng cuối cùng trong trận thắng 4-0 trước Ukraine với một cú volley. Ở lưột đấu thứ 2, Torres lập cú đúp trước Tunisia, bàn đầu tiên ở phút 76 đưa Tây Ban Nha vượt lên dẫn trước, và sau đó là từ một cú đá phạt đền ở phút 90. Với 3 bàn, anh kết thúc giải đấu với việc là cầu thủ ghi nhiều bàn nhất cho Tây Ban Nha cùng với David Villa.

Anh được gọi cho lên đội tuyển Tây Ban Nha ở Euro 2008, khi anh tạo cơ hội cho Villa ghi bàn đầu tiên cho Tây Ban Nha ở giải đấu khi tiếp đội tuyển Nga. Torres đã cho thấy sự bực mình khi không bắt tay huấn luyện viên của Tây Ban Nha, Luis Aragones, sau khi bị thay ra. Anh sau đó giải thích cho việc tức giận với huấn luyện viên, nói rằng anh bực mình với chính bản thân. Anh ghi bàn đầu tiên ở giải trong trận đấu tiếp theo gặp đội tuyển Thụy Điển.Torres ghi bàn thắng quyết định và cũng được bầu là cầu thủ xuất sắc nhất trận trong trận thắng đội tuyển Đức với tỉ số 1-0 ở trận chung kết. Anh nói, "đó là một giấc mơ có thực. Đây là danh hiệu đầu tiên của tôi và tôi hi vọng còn nhiều hơn nữa. Vô địch Euro, nó như vô địch World Cup. Chúng tôi đã xem trận chung kết qua vô tuyến, nhưng ngày hôm nay chúng tôi ở đây và chúng tôi vô địch. Nhiệm vụ của tôi là ghi bàn. Tôi muốn vô địch nhiều danh hiệu nữa và trở thành cầu thủ xuất sắc nhất châu Âu và thế giới." Anh về sau được bầu cùng với đối tác Villa trong đội hình hay nhất giải đấu.

Torres đánh dấu trận đấu thứ 60 cho Tây Ban Nha ở vòng loại World Cup 2010 sau chiến thắng trước đội tuyển Thổ Nhĩ Kỳ vào ngày 28 tháng 3 năm 2009, trở thành cầu thủ trẻ nhất đạt được kỉ lục này. Trong một mùa giải bị dính nhiều chấn thương, anh đã bỏ lỡ nhiều trận đấu ở vòng loại, nhưng vẫn ghi bàn tron trận tiếp đội tuyển Chile sau khi vào sân thay Villa ở hiệp hai. Anh được chọn cho đội tuyển Tây Ban Nha ở FIFA Confederations Cup 2009 vào tháng 6. Anh ghi một cú hattrick trong 17 phút ở trận đầu tiên tiếp đội tuyển New Zealand vào ngày 14 tháng 6, đồng thời cũng là cú hattrick nhanh nhất của một cầu thủ cho đội tuyển Tây Ban Nha. Anh đá trong trận thắng 2-0 trước đội tuyển Mĩ, cũng như ở trận tranh giải 3, khi Tây Ban Nha thắng 3-2 sau hiệp phụ.

Sau đó là một khoảng thời gian khá lâu kể từ khi anh bị chấn thương, từ World cup 2010 đến nay anh chỉ ghi 6 bàn cho đội tuyển. 5 cho World cup và một trong trận đấu giao hữu với tuyển Mĩ bằng một pha bóng nhoài người ghi bàn qua đầu Tim Howard.

Anh được triệu tập danh sách 23 cầu thủ Đội tuyển Tây Ban Nha tham dự Euro 2012. Ngày 14/6/2012 anh lập cú đúp trong trận thắng 4-0 của Tây Ban Nha trước đội tuyển CH Ireland. Ngày 1/7/2012, anh ghi được 1 bàn thắng trong trận chung kết Euro, kết quả là Đội tuyển Tây Ban Nha giành chiến thắng 4-0 trước Đội tuyển Ý[40], qua đó giành chức vô địch, anh cũng được nhận danh hiệu là vua phá lưới của Euro 2012.[41]

Sau Euro 2012,Torres sa sút phong độ và không được triệu tập vào Đội tuyển Tây Ban Nha trong một thời gian dài.

Ngày 28 tháng 5 năm 2013,Anh được điền tên vào danh sách 26 cầu thủ tham dự Confederations Cup 2013 vì có được phong độ tốt ở Chelsea.[42]

Ngay lập tức anh thể hiện cái duyên của mình ở đội tuyển quốc gia,Torres ghi tới 4 bàn thắng vào lưới Tahiti giúp Tây Ban Nha đại thắng Tahiti 10-0.[43] Sau đó 3 ngày, anh ghi 1 bàn trong trận Tây Ban Nha thắng Nigeria 3-0. Dẫn đầu danh sách ghi bàn của Cúp Liên đoàn các châu lục 2013 với 5 bàn thắng. Tuy Tây Ban Nha không thể dành chức vô địch Confed Cup 2013 khi để thua Brasil 3-0 ở chung kết, nhưng Torres vẫn có được chiếc giày vàng.[44]

World Cup 2014, Torres ghi 1 bàn thắng vào lưới đội tuyển Úc giúp Tây Ban Nha giành chiến thắng với tỉ số 3-0 nhưng Tây Ban Nha vẫn không thể vượt qua vòng bảng sau khi thua trước Hà Lan (1-5) và Chi Lê (2-0) đồng thời kết thúc ở vị trí thứ ba bảng đấu.