Naslednjo sezono je Riva 13. septembra 1964 za Cagliarija debitiral v Serie A, v porazu 2 proti 1 proti Romi, ter pomagal klubu, da se je izognil padcu, s čimer je ekipo vodil do udobnega šestega mesta v lestvici, pri čemer je pri 20 letih dosegel spodbudnih 9 golov v 32 nastopih. Za tem so sledili enajsti, šesti in deveti mesti v ligi med letoma 1965 in 1968, medtem ko je Riva v sezoni 1966/67 prvič končal kot najboljši strelec v ligi z 18 točkami, saj je klub začel graditi potencialno zmagovalno stran okoli svojega zvezdnega napadalca: Riva je v Cagliari pritegnil več pomembnih nogometašev, ekipa pa je v tem obdobju imela ključne igralce, kot so Enrico Albertosi, Roberto Boninsegna, Ricciotti Greatti, Comunardo Niccolai, Mario Martiradonna, Mario Brugnera, Pierluigi Cera in Nené. Riva je nato Cagliariju pomagal, da je v sezoni zmagala na drugem mestu tako v Coppa Italia, za Romom, kot v ligi, štiri točke za Fiorentinom.
V sezoni 1968/69 je Cagliari drugič osvojil naslov "capocannoniere" z 20 golov v 29 nastopih; Cagliari je vodil v ligi do 21. tekmovalnega dne, ko je izguba doma proti Juventusu povzročila, da je ekipa predala vodstvo.