Gollini có trận ra mắt với đội U21 Ý vào ngày 2 tháng 6 năm 2016, trong trận thua 0-1 trước Pháp.

Gollini có trận ra mắt đội tuyển Ý dưới thời HLV Roberto Mancini vào ngày 15 tháng 11 năm 2019, anh vào sân thay người cho Gianluigi Donnarumma trong chiến thắng 3–0 trước Bosnia và Herzegovina, ở vòng loại Euro 2020.