2005年、当時パンタレオ・コルヴィーノやチェーザレ・プランデッリ監督を招聘し、若手中心のチーム作りを目指していたフィオレンティーナに移籍金300万ユーロで移籍。クラブはルカ・トーニやセバスティアン・フレイら即戦力のベテランを獲得する一方で、同時期にフィオレンティーナへ移籍したリッカルド・モントリーヴォやマヌエル・パスクアルらと共に未来への投資とされた。そのため移籍初年度はダリオ・ダイネッリの控えとしてベンチで過ごすことが多く、19試合出場に止まった。2005-06シーズンは少ない出場機会であったが、若手ながらも落ち着いたプレーをしていたことで徐々にプランデッリ監督の信頼を得ている。シーズン後には2006年FIFAワールドカップドイツ大会直前のイタリア代表合宿にサプライズ招集される。最終選考メンバーには漏れることになったがガンベリーニのポテンシャルが認められた形となった。2006-07シーズンの前半戦はダイネッリ、ペア・クロルドルップに次ぐ第3のCBとして過ごしていた。しかし、2006年12月17日に行われた対ACミラン戦においてクロルドルップが致命的なミスを犯しレギュラーを外されると、その後はレギュラーに昇格。安定感のあるプレーを披露、チームのシーズン最小失点に貢献した。2007年3月4日に行われたトリノ戦において、自身のセリエA初得点を記録するばかりかドッピエッタ（2得点）を達成した。シーズン終了後にはドナドーニ監督にそれらの活躍が認められイタリア代表に再招集される。2007-08シーズンは不動のレギュラーとして、チームはカンピオナートで4位となりUEFAチャンピオンズリーグ出場権獲得に貢献、UEFAカップでは準決勝に進み国際経験を積んだ。シーズン後は出場機会は無かったものの、大会直前の練習中に負傷離脱したファビオ・カンナヴァーロに変わり追加招集され、UEFA EURO 2008のイタリア代表メンバーとなった。