Trong suốt mùa giải 2023/24, Olmo đã gặp nhiều chấn thương, tuy nhiên, anh vẫn có 13 đóng góp bàn thắng trong 25 trận anh thi đấu ở tất cả các giải đấu. Sau đó, anh đã có một màn trình diễn tuyệt vời tại Euro 2024 khi ghi bàn trong ba trận loại trực tiếp liên tiếp, bao gồm trận gặp Pháp ở bán kết và đóng góp quan trọng giúp Tây Ban Nha vô địch châu Âu.