Im Jahr 1866, bei Ausbruch des Dritten Unabhängigkeitskrieges, wurde Sirtori zum Kommandeur der 5. Division (Brigade Veltlin und Brigade Brescia) bestimmt, die im Rahmen des I. Korps von Giovanni Durando am 24. Juni im Zentrum der Schlacht bei Custozza eingesetzt wurde. Vom österreichischen Korps Rodich über den Tione auf Santa Lucia zurückgeworfen, zog sich seine Division nach Valeggio und hinter den Mincio zurück und deckte dabei die Artillerie des Obersten Bonelli. Nach der Schlacht, in der General Durando verwundet wurde, wollte er das Kommando über das I. Armeekorps übernehmen, das aber La Marmora dem älteren General Pianell, einem ehemaligen Offizier der Bourbonen übertrug. Seine Führungsfehler in der Schlacht versuchte er wegen mangelnder Unterstützung der bei Oliosi operierenden 1. Division unter General Cereale zu verschleiern. Ernesto Moneta, sein Stabschef, versuchte erfolglos, ihn von diesem Vorhaben abzuhalten. La Marmora entzog ihm sein Divisionskommando, ein Disziplinarverfahren wurde gegen ihn eingeleitet. In seinem Stolz getroffen, quittierte Sirtori seinem Dienst bei der savoyardischen Armee.