2010年世界杯八分之一决赛比利亚庆祝与葡萄牙国家队的比赛中打入唯一一球
2005年2月9日，二十三岁得到了西班牙国家足球队主教练阿拉干尼斯的垂青，在主场阿尔梅里亚对圣马力诺的比赛中后备上阵。在2006年世界杯里，韦拿在首场分组赛取得两个入球，一为罚球。在国家队十六强以1-3不敌法国后，韦拿在世界杯已取得三个入球。
世界杯过后韦拿穿上了前国脚劳尔的7号球衣。之前曾有劳尔球迷为韦拿“抢了”鲁尔的战袍有所攻击，但如今已很少有人再争论，韦拿是否有资格穿上国家队7号球衣的问题，即使是劳尔·冈萨雷斯·布兰科球迷亦然。韦拿自己作过解释：“我并没有对鲁尔有任何不尊敬，只是国家队没人穿7号，我在华伦西亚也是这个号码，所以就要了它。”
韦拿在2008年欧洲国家杯外围赛对列支敦士登一场赛事表现出色，备受称赞，因他在该场比赛有2个入球，虽终场前因射失点球而错过上演帽子戏法的机会，但因曾在禁区内倒挂金钩破门，西班牙媒体称赞道：“这是动画片里才有的动作，是纯粹的艺术品。”他先是在中路禁区前将皮球分到左侧的队友大卫·席尔瓦脚下，随后华伦西亚边锋又重新将球起到禁区中间，韦拿见皮球要落到身后，直接射门无法实现，他瞬间转身，本能地做出一个倒挂金钩的动作，皮球应声入网。
至3月24日对丹麦一场外围赛，韦拿打入锁定胜局的一球；3月28日西班牙对冰岛，韦拿在对方6名球员的包围下，仍送出一记精准的直塞球助攻恩尼斯达得分。
2008年6月10日的2008年欧洲国家杯对俄罗斯赛事正选上阵，并打入三球，成为首位在2008年欧洲国家杯连中三元的球员，同时亦为首位在欧洲国家杯连中三元的西班牙球员，也是华伦西亚的第一人。韦拿还仅用一场比赛就平了阿方索创造的西班牙球员在欧洲杯上的最高进球纪录。
之后在分组赛第二场比赛对瑞典时，直到第90分钟西班牙都没能破门。但最后时刻的进球又一次证明韦拿，面对两名防守球员的纠缠，韦拿成功甩开了他们的防守，冷静的推射把比分改写为2比1。最后时刻的进球英雄、以4球排在射手榜首位的韦拿再次领取了“当场最佳球员”的奖杯。像以往那样，他对自己的表现只有一句评价：“这粒进球比对阵俄罗斯时的3粒都有价值。”
在2008年6月22日对意大利的比赛中，两队踢至120分钟仍未可分出胜负，遂进行点球大战。韦拿以国家队首席点球手的身份率先射球，皮球顺利入网。最后西班牙在点球大战中以4:2击败意大利，进入四强。
2008年6月26日对俄罗斯的比赛中，韦拿在第34分钟时因伤不能坚持，提前换上法比加斯。在失去头号射手下，西班牙仍以3:0完胜俄罗斯，但韦拿确定不能在决赛中出战，只能在场边为战友加油。他表示:“我很想上场参加比赛，但现在，这已经不重要了。最重要的是支援我的队友们在周日的比赛里完成挑战，去获得欧洲冠军。这支西班牙队非常团结，就算我不能参加比赛，我也要在场下为他们加油。”
2008年6月30日西班牙以1:0击败德国。韦拿虽然没有出场，但仍以4球在射手榜独占鳌头，顺利拿下金靴。在2008年欧洲国家杯西班牙夺冠后，西班牙7号球衣归属比利亚。大卫·比利亚继承劳尔冈萨雷斯的七号，继续领衔西班牙队，开启了一个新的时代。
2010年7月3日，南非世界杯八进四的比赛中，比利亚攻入制胜一球战胜巴拉圭队，国家队总进球达到43个，仅次于打入44球的劳尔，但根据比利亚的效率来看，2010年内就可以成为进球数最多的西班牙球员，其在世界杯上的进球也达到了8个。2010年9月3日在4-0战胜列支敦士登的欧洲杯预选赛中打入第二球，但是由于西班牙足协将世界杯前热身赛对阵波兰打入的一球记为乌龙球，因此这球还只是比利亚在国家队的43球，距离劳尔仍有一球之差。
而在2010年10月12日，比利亚终于在欧洲杯预选赛客场对苏格兰时射入一球，追平劳尔纪录。此前他数次射中门框而未把握良机，使得出场数来到70场，但仍然胜过劳尔的102场一截。此役博斯克采用4-2-3-1阵式，由比利亚出任单箭头并因此创造出多次机会，但最后均无功而返。直到第43分钟时拉莫斯射门遭手球挡下，裁判判罚点球，比利亚才完成个人纪录。赛后他说道：“很高兴这个进球帮助球队取得了胜利，我早就知道这个进球迟早会到来的。现在我的目标不是第45球，而是尽可能长久的待在这支球队中。”
2011年3月25日，西班牙与捷克交锋于2012欧洲杯预选赛，在此役中比利亚梅开二度，帮助西班牙获得胜利。而比利亚的这两个入球乃是他为国家队攻入的第45个及第46个进球。至此，比利亚以72场比赛打进46球的成绩超越了劳尔的102场44球，成为国家队历史上进球最多的球员。谈及该成就，比利亚自豪的说：“我的进球属于我的队友和我的教练，也离不开我职业生涯中所有的合作者和朋友们……前不久，我向好朋友何塞承诺，超越劳尔的这个进球要特别献给他。”
2014年世界杯，比利亚不被重用，而西班牙成绩差劲，只在最后一场对澳洲上场，射入漂亮的一球来结束国家队生涯。但2017年，他又宣布重返国家队阵容，在2018世界杯资格赛中数次被列入出场名单，但都没有出场，最后也不意外的没有进入2018的西班牙队名单。该次复出后，唯一一次出场是一次友谊赛。