Pada November 2016, Gagliardini telah dipanggil oleh pasukan kebangsaan Itali di bawah kendalian Gian Piero Ventura buat kali pertama untuk menghadapi perlawanan kelayakan Piala Dunia 2018 menentang Liechtenstein dan perlawanan persahabatan menentang Jerman berikutan kecederaan yang dialami Claudio Marchisio.

Pada 28 Mac 2017, Gagliardini melakukan penampilan sulungnya untuk pasukan kebangsaan Itali dalam aksi persahabatan menentang Belanda setelah beliau menggantikan Daniele De Rossi pada minit ke-37.

Pada Jun 2017, beliau dipilih ke dalam pasukan bawah-21 Itali bagi menghadapi Kejohanan Eropah Bawah-21 2017 di bawah kendalian Luigi Di Biagio.[19] Italy seterusnya terkandas di peringkat separuh akhir kepada Sepanyol pada 27 Jun berikutan kekalahan 3-1. Dalam perlawanan itu juga, Gagliardini telah dibuang padang.[20][21]