El 2 de septiembre de 2009, fue presentado como nuevo director técnico del equipo de su niñez, la Roma, firmando un contrato por dos temporadas. El conjunto "giallorosso", que había perdido los dos primeros partidos de la Serie A 2009-10, comenzó a remontar posiciones e incluso se situó líder del campeonato, venciendo al Internazionale en el proceso. Finalmente el conjunto romano terminó siendo subcampeón de dicha competición, aunque llegó a la última jornada con opciones de ganar el título. Sin embargo, el 20 de febrero de 2011, Ranieri presentó la renuncia como entrenador de la Roma tras perder 3-4 contra el Genoa después de ir ganando 3-0 hasta el comienzo del segundo tiempo. Dejó al equipo "giallorosso" ocupando el 6º puesto de la clasificación tras 26 jornadas de la Serie A 2010-11.