En ella reconoció que en ningún momento renunció a la Selección Española. “Nunca dije que me había retirado de la selección. Si Lopetegui me convoca voy. Estoy preparado para volver a jugar en ‘La Roja’”, explicó el asturiano.
Es en el 2002, durante su etapa en el Real Sporting, cuando debutó con la sub-21 de la Selección Española. Jugó su primer partido contra Andorra, y sería convocado en siete ocasiones más. Pero será en 2005 cuando debute con la selección absoluta, concretamente el 9 de febrero contra San Marino en un partido de clasificación para el Mundial de 2006. El día 16 de noviembre marcó su primer gol con la elástica de la Selección Española contra Eslovaquia en la repesca para la clasificación del Mundial.
Tras haber conseguido sumar un total de 25 goles, en la temporada 2005/06, con el Valencia C.F., fue convocado por Luis Aragonés para jugar el Mundial de 2006. Marcó 2 goles en su debut contra Ucrania y uno más en los octavos de final frente a Francia. Esto le sirvió para terminar como máximo goleador de la selección, empatado con Fernando Torres.
Bota de Oro de la Eurocopa de 2008
En la Eurocopa de 2008 Luis Aragonés volvió a confiar en él y lo convocó. En el debut de la selección española consiguió un hat-trick frente a Rusia. Posteriormente, en el segundo partido de la fase de grupos anotó otro tanto más contra Suecia, dando a España el pase a los cuartos de final. Pero fue en semifinales contra Rusia cuando se lesionaria, impidiéndole jugar la final contra Alemania. Aún así, se convirtió en el pichichi de la Eurocopa con 4 tantos.
Rompe récord de Raúl con 12 goles en un mismo año
En el año 2008 rompió el récord establecido en 1999 por Raúl González (10 goles con la Selección en un mismo año), consiguiendo 12 tantos durante un mismo año. Por si era poco en 2009 contra Inglaterra consiguió ser el el primer internacional español en conseguir marcar en seis partidos seguidos.
En 2009 participa en la Copa Confederaciones marcó 3 goles más con la Selección y consiguió ser Bota de Bronce y fue incluido en el once ideal.
En 2010 participó en el Mundial de Sudáfrica. Se estrenó con 2 goles frente a Honduras en el segundo partido de la Selección. Marcaría 3 goles más, siendo decisivo en la victoria de España contra Portugal y Paraguay. España consiguió el Mundial y Villa se convirtió en Bota de Plata del torneo, empatando a 5 goles con Müller, pero el mayor número de asistencias de este le sirvieron para ser Bota de Oro.
Se convierte en máximo goleador de la Selección Española
En 2011 se convirtió en el máximo goleador de la Selección Española. Aunque su lesión en 2012 le impidió participar en la Eurocopa de 2012. En 2013 vuelve a participar con la Selección Española en la Copa Confederaciones, consiguiendo un hat-trick contra la Selección de Tahití.
El 23 de junio de 2014 fue la última participación del asturiano con la Selección Española, en el Mundial de Brasil, consiguiendo un gol contra Australia. Lo que hacen un total de 59 goles con la Selección. Con 34 años, Villa no tira la toalla y trabaja día a día para seguir manteniéndose en la élite.