Oekraïne begon op 8 september 2014 met een thuiswedstrijd aan de kwalificatiecampagne. Ze verloren verrassend van Slowakije met 0-1 door een goal van Róbert Mak. Een maand later werd op bezoek bij Wit-Rusland gewonnen met 0-2, na een owngoal van Aljaksandr Martynovitsj en een doelpunt in toegevoegde tijd van Serhiy Sydortsjoek. Enkele dagen later legde Sydortsjoek met een goal in de toegevoegde tijd van de eerste helft de 1-0 eindstand tegen Macedonië vast. In november 2014 won Oekraïne op verplaatsing bij Luxemburg met 0-3 na een hattrick van Andriy Yarmolenko.
De volgende wedstrijd vond pas plaats op 27 maart 2015. Oekraïne verloor met 1-0 op het veld van Spanje. Álvaro Morata scoorde het enige doelpunt. In juni 2015 ontving Oekraïne de Luxemburgers. Artem Kravets, Denys Harmasj en Jevhen Konopljanka zorgden voor de 3-0 overwinning. In september 2015 scoorden Kravets, Yarmolenko en Konopljanka elk een goal in de 3-1 overwinning tegen Wit-Rusland. Sergej Kornilenko zorgde voor de Wit-Russische eerredder. Enkele dagen later geraakte Oekraïne niet verder dan een 0-0 gelijkspel op bezoek bij Slowakije. Een maand later werd met 0-2 gewonnen van Macedonië na goals van Jevhen Seleznjov en opnieuw Kravets. De laatste reguliere speeldag werd er thuis verloren van Spanje met 0-1 na een goal van Mario Gaspar.
Oekraïne eindigde als derde in Groep C en was dus veroordeeld tot barrages, waarin Slovenië werd geloot. Op 14 november 2014 werd thuis vrij eenvoudig gewonnen met 2-0 na goals van Yarmolenko en Seleznjov. Enkele dagen later deed Boštjan Cesar met een vroege 1-0 de Slovenen weer hopen op het EK. Na een tumultueus slot van de wedstrijd, waarbij de Sloveen Mišo Brečko rood kreeg in de 93ste minuut, wist Yarmolenko in de 97ste minuut nog de gelijkmaker te scoren. Vlak daarna werd afgefloten met een 1-1 eindstand tot gevolg. Hierdoor wist Oekraïne zich voor het eerst rechtstreeks te plaatsen voor een EK na in 2012 medegastland te zijn geweest.
De loting vond op 12 december 2015 plaats in Parijs. Oekraïne werd ondergebracht in groep C, samen met Duitsland, Polen en Noord-Ierland.
Oekraïne kwam in het eerste groepsduel in de 19e minuut op achterstand tegen Duitsland, toen Shkodran Mustafi een vrije trap van Toni Kroos binnenkopte. Die stand bleef op het bord staan tot de twee minuten eerder ingevallen Bastian Schweinsteiger in de blessuretijd 0-2 maakte uit een counter. Dat was tevens de eindstand. Oekraïne verloor daarna ook de tweede groepswedstrijd met 0-2, van Noord-Ierland. Gareth McAuley kopte de Noord-Ieren in de 49e minuut op 0-1 nadat Oliver Norwood de bal vanuit een vrije trap voor het doel bracht. Niall McGinn maakte in de laatste minuut van de blessuretijd 0-2. Nadat doelman Andrij Pjatov een schot van Stuart Dallas tegenhield, schoot hij de afvallende bal vanaf de rand van het doelgebied binnen. Door dit verlies was Oekraïne op basis van onderlinge resultaten als eerste land op het toernooi uitgeschakeld. Met niets meer om voor te spelen verloor Oekraïne tegen Polen ook haar derde groepsduel: 0-1. De Poolse aanvaller Arkadiusz Milik nam in het begin van de tweede helft een corner van rechts door hem kort naar Bartosz Kapustka te spelen. Nadat hij de bal teruggaf aan Milik, speelde die Jakub Błaszczykowski aan in het strafschopgebied. Hij passeerde doelman Andrij Pjatov met een diagonaal schot. Met drie nederlagen eindigde Oekraïne het toernooi met nul punten op de vierde plaats in de groep.
.svg){kind=small}
.svg){kind=small}
.svg){kind=small}
