Gagliardini lief bisher für die U-20 Italiens und die U-21 Italiens auf. Am 28. März 2017 kam er unter Gian Piero Ventura im Freundschaftsspiel gegen die Niederländische Fußballnationalmannschaft zu seinem ersten Einsatz in der A-Nationalmannschaft. Am 31. Mai 2017 ein weiterer Einsatz im Freundschaftsspiel gegen San Marino. Er nahm auch an der U-21 Fußball-Europameisterschaft 2017 in Polen teil.