W lutym 2001 roku z reprezentacją Hiszpanii U-16 zwyciężył w turnieju Algarve. Mając 15 lat zdobył z reprezentacją Młodzieżowe Mistrzostwo Europy do lat 16 strzelając w finale zwycięską bramkę, ponadto zwyciężył w klasyfikacji strzelców oraz wybrany został graczem turnieju. W listopadzie 2001 roku reprezentował Hiszpanię w Młodzieżowych Mistrzostwach Świata U-17, ale zespół nie wyszedł z grupy. W lipcu 2002 roku odniósł z kadrą zwycięstwo w Mistrzostwach Europy U-19, ponownie zdobywając w finale gola na wagę triumfu, kończąc również zawody jako najlepszy strzelec i gracz turnieju.
6 września 2003 zadebiutował w pierwszej reprezentacji w towarzyskim meczu z Portugalią. Pierwszego gola zdobył 28 kwietnia 2004 w spotkaniu z Włochami. Został powołany na Mistrzostwa Europy 2004, na których dwukrotnie wchodził z ławki rezerwowych, a pierwszy występ w podstawowym składzie zaliczył w decydującej o awansie do dalszych gier potyczce z Portugalią, którą Hiszpania przegrała 0:1 i odpadła z turnieju.
W eliminacjach do Mistrzostw Świata 2006 strzelił 7 goli w 11 spotkaniach, dzięki czemu został najlepszym strzelcem Hiszpanii w kwalifikacjach. W swoim pierwszym występie na mistrzostwach świata, zdobył gola wolejem, którym przypieczętował zwycięstwo 4:0 z Ukrainą. W drugim grupowym meczu przeciwko Tunezji, wygranym 3:1, Torres dwukrotnie wpisał się na listę strzelców. Turniej zakończył z trzema bramkami na koncie, będąc ex aequo z Davidem Villą najlepszym strzelcem drużyny. Hiszpan pojechał z reprezentacją na Mistrzostwa Europy 2008, zaliczając w pierwszym meczu z Rosją asystę przy golu Villi. Torres został skrytykowany po tym, jak schodząc z boiska w 55. minucie meczu nie podał ręki selekcjonerowi kadry Luisowi Aragonésowi. Zawodnik zaprzeczał potem jakoby miał być w konflikcie z selekcjonerem, twierdząc, że był zły na samego siebie. Swojego pierwszego gola w turnieju strzelił w następnej potyczce Hiszpanów, zwyciężonej 2:1 ze Szwecją. W wygranym 1:0 finale Torres zdobył zwycięską bramkę i został uznany piłkarzem meczu. Razem z drugim napastnikiem w drużynie, Davidem Villą, znalazł się w jedenastce turnieju.
15 października 2008 w meczu z Belgią, rozegranym w ramach eliminacji do Mistrzostw Świata 2010, Torres doznał kontuzji ścięgna podkolanowego, przez co musiał pauzować przez kilka dni. 28 marca 2009 w spotkaniu z Turcją w eliminacjach do Mistrzostw Świata 2010, rozegrał swój 60 mecz dla drużyny narodowej, stając się tym samym najmłodszym zawodnikiem hiszpańskim, który tego dokonał. W czerwcu otrzymał powołanie na Puchar Konfederacji w RPA. W pierwszym spotkaniu Hiszpanii na turnieju, przeciwko Nowej Zelandii, Torres w przeciągu 17. minut zdobył swojego drugiego w karierze hat-tricka dla kadry; był to również najszybszy hat-trick w historii reprezentacji. W półfinale Hiszpania przegrała ze Stanami Zjednoczonymi 0:2. W meczu o trzecie miejsce, Torres został zmieniony w 57. minucie meczu, a spotkanie zakończyło się zwycięstwem Hiszpanii po dogrywce 3:2. 14 czerwca w meczu z Irlandią na EURO 2012 zdobył 2 bramki, Hiszpanie zwyciężyli 4:0. Wszedł z ławki na boisko w 75. minucie finału tej imprezy – zdobył w niej bramkę na 3:0 w 84. minucie oraz asystował Juanowi Macie przy bramce na 4:0. Dzięki temu został królem strzelców Euro 2012.
W czerwcu 2013 roku został powołany przez Vicente del Bosque na Puchar Konfederacji w Brazylii. Nie zagrał w pierwszym meczu turnieju reprezentacji Hiszpanii z mistrzem Ameryki Południowej Urugwajem, wygranym 2:1. W kolejnym meczy, przeciwko Tahiti zdobył 4 bramki, mimo że nie wykorzystał rzutu karnego. Mecz zakończył się wynikiem 10:0. W następnym meczu Hiszpania zmierzyła się z mistrzem Afryki Nigerią. Torres wszedł na boisko w 59. min, a w 61. min wpisał się na listę strzelców w spotkaniu wygranym 3:0.
W czerwcu 2013 roku został powołany przez Vicente del Bosque na Puchar Konfederacji w Brazylii. Nie zagrał w pierwszym meczu turnieju reprezentacji Hiszpanii z mistrzem Ameryki Południowej Urugwajem, wygranym 2:1. W kolejnym meczy, przeciwko Tahiti zdobył 4 bramki, mimo że nie wykorzystał rzutu karnego. Mecz zakończył się wynikiem 10:0. W następnym meczu Hiszpania zmierzyła się z mistrzem Afryki Nigerią. Torres wszedł na boisko w 59. min, a w 61. min wpisał się na listę strzelców w spotkaniu wygranym 3:0.