V roce 1964 Mazzola dvakrát vstřelil, aby pomohl Inter porazit Real Madrid ve finále Evropského poháru v roce 1964, aby pomohl klubu napodobit cross-city rival Milánův výkon z předchozí sezóny; dokončil turnaj jako společný nejlepší střelce se sedmi góly. Inter bránil svůj evropský titul znovu v následující sezóně poražením Benficy ve finále. V sezóně 1966/1966 byl Inter vyřazen v semifinále Evropského poháru eventuálním šampiónem Real Madridem, zatímco v sezóně 1966/1967 Inter dosáhl svého třetího finále Evropského poháru, ale prohrál 2:1 proti Celticovi, přestože Mazzola vstřelil úvodní gól zápasu z trestného místa v sedmé minutě. Mazzola také vyhrál dva po sobě jdoucí Intercontinental Cups s Interem v roce 1964.
V sezóně 1967/1968 dosáhl třetího místa v Coppa Italia. V roce 1972 se dostal do finále Evropského poháru s Interem, ale prohrál 2:0 s Ajaxem.