Im Jahr 1970 kam Sergio Gori als Spieler der US Cagliari zu drei Länderspielen in der italienischen Fußballnationalmannschaft. Von Nationaltrainer Ferruccio Valcareggi wurde er dabei ins Aufgebot der Italiener für die Fußball-Weltmeisterschaft 1970 in Mexiko berufen. Während des Turniers absolvierte Gori, der auf der Position eines Angreifers einzusetzen war, ein Spiel. In der Viertelfinalpartie der Italiener gegen Gastgeber Mexiko (Endstand: 4:1) ersetzte er in der 85. Spielminute seinen Vereinskameraden Angelo Domenghini. Davor und danach brachte es Sergio Gori auf keine weiteren Turniereinsätze. Die italienische Mannschaft indes erreichte nach einem 4:3-Sieg nach Verlängerung im legendären Jahrhundertspiel gegen Deutschland das WM-Endspiel, scheiterte dort aber deutlich mit 1:4 an Brasiliens großer Mannschaft um Pelé, Carlos Alberto und Jairzinho.