A tempada seguinte, Riva fixo o seu debut na Serie A para o Cagliari o 13 de setembro de 1964, nunha derrota por 2 a 1 contra a Roma, e tamén axudou ao club a evitar o descenso, levando ao equipo a un cómodo sexto lugar na clasificación, marcando un alentador 9 goles en 32 aparicións á idade de 20 anos. Isto foi seguido por un décimo primeiro, sexto e noveno posto na liga entre 1965 e 1968, mentres que Riva tamén terminou como o máximo goleador da liga por primeira vez durante a tempada 1966-67 con 18 goles, xa que o club comezou a construír un potencial equipo gañador de títulos ao redor do seu estrela atacante: Riva atraeu a varios futbolistas notables a Cagliari, e o equipo durante este período contou con xogadores clave como Enrico Albertosi, Roberto Boninsegna, Ricciotti Greatti, Comunardo Niccolai, Mario Martiradonna, Mario Brugnera, Pierluigi Cera e Nené. Riva axudou posteriormente ao Cagliari a terminar segundo tanto na Coppa Italia, por detrás da Roma, como na liga, catro puntos por detrás da Fiorentina, durante a tempada 1968-69.
Cagliari liderou a liga ata a 21a xornada, cando unha derrota en casa ante a Juventus fixo que o equipo renunciase ao seu liderado.