Reprezentacja Portugalii 23 września 2014 roku zatrudniono go na stanowisko selekcjonera reprezentacji Portugalii, która uczestniczyła wówczas w eliminacjach do Mistrzostw Europy 2016. Z portugalską kadrą narodową ostatecznie wywalczył awans na turniej. 10 lipca 2016 roku zdobył z rodakami mistrzostwo Europy. W finałowym spotkaniu rozgrywanego we Francji turnieju jego podopieczni pokonali gospodarzy 1:0 po golu Édera w dogrywce. Zwycięstwo było poprzedzone remisami z Islandią, Austrią i Węgrami w fazie grupowej, które dały Portugalii awans do fazy pucharowej z trzeciego miejsca w grupie. Następnie Portugalia pokonała po dogrywce Chorwację 1:0, po rzutach karnych Polskę (w regulaminowym czasie było 1:1), a w półfinale Walię 2:0.
W 2017 roku wywalczył brązowy medal w Pucharze Konfederacji, pokonując z Portugalią w rozegranym 2 lipca w Moskwie meczu o 3. miejsce Meksyk 2:1. Dwa lata później wygrał z kolei z portugalską reprezentacją rozgrywki inauguracyjnej edycji Ligi Narodów UEFA, w których finale, rozegranym 9 czerwca w Porto, piłkarze Santosa pokonali 1:0 Holandię po golu Gonçalo Guedesa.