Llorente debuterte for A-landslaget som innbyttar i ein privatlandskamp mot Chile 14. november 2008. Han skåra det første landslagsmålet sitt 11. februar 2009 i ein privatlandskamp mot England. I 2010 vart han teken ut i Spania sin tropp til fotball-VM i Sør-Afrika. I turneringa, der Spania, vart verdsmeistrar, fekk han spela som innbytar i éin kamp, åttedelsfinalen mot Portugal.