Gilardino mewakili Italia di level U-19, U-20, U-21, dan senior. Gilardino adalah bagian dari tim Italia yang memenangkan Kejuaraan Eropa U-21 UEFA 2004, di mana ia menjadi pencetak gol terbanyak turnamen tersebut. Ia juga dinobatkan sebagai pemain terbaik turnamen. Pada tahun 2004, ia juga memenangkan medali perunggu bersama Italia pada Olimpiade Musim Panas 2004. Ia merupakan pencetak gol terbanyak sepanjang masa timnas Italia U-21 dengan 19 gol dalam 30 penampilan. Di tingkat senior, ia adalah bagian dari skuad pemenang Piala Dunia FIFA 2006, dan juga berpartisipasi pada Piala Konfederasi FIFA 2009, Piala Dunia 2010, dan Piala Konfederasi 2013.