Sinh ra tại Bergamo, Gagliardini bắt đầu sự nghiệp của mình tại câu lạc bộ quê nhà Atalanta chơi cho đội trẻ. Anh được gọi vào đội 1 mùa giải 2013-14.

Vào ngày 4 tháng 12 năm 2013, Gagliardini bắt đầu thi đấu chuyên nghiệp, đầu tiên trong chiến thắng 2-0 trên sân nhà trước Sassuolo tại Coppa Italia. Vào ngày 17 tháng 1 năm 2014, anh đến Cesena với bản hợp đồng cho mượn. Gagliardini tám ngày sau đó đã ghi bàn thắng đầu tiên kể từ khi bắt đầu thi đấu chuyên nghiệp đầu tiên của mình trong chiến thắng 3-1 tại Varese.

Ngày 1 tháng 9 năm 2014 được mượn bởi Spezia Calcio và vào ngày 29 tháng 7 năm 2015, Gagliardini chuyển đến Vicenza Calcio.

Ngày 11 tháng 1 năm 2017, Gagliardini đến với Inter sau khi Atalanta đồng ý cho mượn kèm theo điều khoản mua đứt vào năm 2018 giá 25 triệu euro.