Nella stagione 2011-2012 gioca le prime giornate di campionato da titolare, prima di subire la frattura del perone a seguito di un intervento di Ezequiel Lavezzi, nella gara Cagliari-Napoli del 23 ottobre 2011; l'incidente gli causa uno stop di circa tre mesi. Nella stagione 2012-2013 non riesce a ripetersi sui livelli delle stagioni precedenti, subendo due espulsioni (contro Juventus e Milan) e causando due autoreti (contro Inter e Napoli). Conclude la stagione con 32 presenze in campionato e una in Coppa Italia. Anche nel campionato 2013-2014 Astori alterna buone partite a performance meno buone e conclude la stagione con 34 presenze in campionato e una nella coppa nazionale. Il 23 luglio 2014 rinnova con la squadra sarda per tre anni, firmando un contratto fino al 2017.