È stato chiamato il 13 luglio 2006 dal Commissario straordinario della FIGC Guido Rossi e dal vicecommissario straordinario Demetrio Albertini come nuovo commissario tecnico della Nazionale italiana. Esordisce il 16 agosto a Livorno, con una sconfitta in amichevole (0-2) contro la Croazia. Il 17 novembre 2007, vincendo 2-1 contro la Scozia a Glasgow, la Nazionale si qualifica per l'Europeo 2008 con un turno d'anticipo.

All'esordio dell'Europeo l'Italia, con una sconfitta, un pareggio e una vittoria, si qualifica al turno successivo. Ai quarti di finale contro la Spagna, dopo aver concluso i supplementari 0-0, gli Azzurri perdono ai calci di rigore.

Il 26 giugno 2008 la FIGC dichiara esaurito il rapporto di Donadoni con la Federazione e richiama al suo posto Marcello Lippi.