A fentiek ellenére a spanyol nagyválogatottban még mindig nem mutatkozhatott be, ellenben tagja volt a korosztályos csapatnak, amely ott volt a 2005 nyarán Hollandiában megrendezett U20-as világbajnokságon.
A hispánok 100 százalékos teljesítménnyel jutottak a legjobb nyolc közé, ott azonban a későbbi győztes Argentína ellen 3-1-es vereséget szenvedtek. Fabregas mindegyik találkozón pályára lépett, és a spanyolok legjobbjai közé tartozott.
A 2005-2006-os szezonban klubjában még nagyobb felelősség került a vállára, hiszen az Arsenal eladta kulcsjátékosát, Vieirát - Arsene Wenger alighanem azért is vált meg könnyebben a franciától, mert tudta, hogy Fabregas a rendelkezésére áll.
A még mindig tinédzser spanyol pedig nem okozott csalódást: a bajnokságban 35 meccsen (amelyből csak ötször volt csere) öt gólt szerzett és hét gólpasszt is adott, a Bajnokok Ligájában pedig éppen Vieira ellen bizonyította, hogy méltó utódja a gallnak.
Az Arsenal ugyanis a negyeddöntőben a Vieirával felálló Juventusszal került össze, és az első meccsen Londonban Fabregas a mezőny legjobbja volt, gólt szerzett és gólpasszt adott Thierry Henrynak. Az Ágyúsok egészen a döntőig meneteltek a BL-ben, és ott éppen Fabregas nevelőegyesülete, az FC Barcelona volt az ellenfél. A katalánok megnyerték ugyan a finálét, de Fabregas immár a nemzetközi porondon is letette a névjegyét.
Luis Aragonés immár nem tehette meg, hogy nem válogatja be, és Cesc 2006 márciusában, az Elefántcsontpart elleni barátságos mérkőzésen bemutatkozott a selecciónban - amelynek 70 éve nem volt ilyen fiatal debütánsa. A szakvezető a 2006-os világbajnokságra is kivitte, és bár az első meccset a kispadról nézte végig, Tunézia ellen a szünetben beállt, és nagy szerepe volt abban, hogy a spanyolok fordítani tudtak: előbb távoli lövését a kapus csak kiütni tudta, és Raúl értékesítette a kipattanót, majd pedig gólpasszt adott Fernando Torresnek.
A következő két összecsapáson már a kezdő tizenegy tagja volt, és nem rajta múlott, hogy a spanyolok a nyolcaddöntőben kikaptak a franciáktól. Nem mellékesen pedig újabb rekordot állított fel: 19 évesen és 41 naposan a spanyol labdarúgás legfiatalabb világbajnoki szereplője lett.