Gilardino representou a Seleção Italiana nos níveis sub-19, sub-20, sub-21 e principal. Gilardino fez parte da equipe que venceu o Campeonato Europeu Sub-21 de 2004, onde foi o artilheiro do torneio. Mais tarde naquele ano, também ganhou uma medalha de bronze com a Itália nos Jogos Olímpicos de Verão de 2004. É o maior artilheiro da Seleção Italiana Sub-21, com 19 gols em 30 jogos. Na Seleção principal, fez parte da equipe campeã da Copa do Mundo de 2006 e também participou da Copa das Confederações de 2009, da Copa do Mundo de 2010 e da Copa das Confederações de 2013, onde conquistou a medalha de bronze.