En el plano internacional, la carrera de Cesc dentro de la Selección española comenzó a los diecisiete años en el Mundial sub-17 de 2003, disputado enFinlandia. En 2006, cuando tenía tan solo 19 años, el seleccionador Luis Aragonés le convocó por primera vez para la selección absoluta, con la que ha disputado el Mundial de 2006, la Eurocopa de 2008 y el Mundial 2010, proclamándose campeón junto a sus compañeros de selección en estos dos últimos torneos, siendo la primera vez en la historia que la selección española gana un campeonato mundial.

Actualmente Cesc es el jugador más joven que ha disputado más de 50 partidos con la Selección española, con un total de 58 partidos y tan sólo 24 años de edad.