Poli begon zijn profcarrière in de Serie B bij Treviso. Op 31 januari 2007 werd hij vastgelegd door Sampdoria. Hij zou wel het seizoen afmaken bij Treviso. Op 4 november 2007 debuteerde hij in de Serie A tegen Cagliari. Tijdens het seizoen 2008-2009 werd hij uitgeleend aan US Sassuolo om ervaring op te doen. In juli 2009 keerde hij terug om een basisplek te veroveren bij Sampdoria in een team dat vierde zou eindigen gedurende het seizoen 2010-2011, op drie punten verwijderd van AC Milan. Het seizoen erna werd een fiasco. Sampdoria eindigde op de achttiende plek waardoor het degradeerde uit de Serie A. Op 29 augustus 2011 werd bekend dat hij uitgeleend zou worden aan Internazionale, dat €500.000 betaalt en een aankoopoptie bedongen heeft. Op 19 januari 2012 scoorde hij zijn eerste doelpunt voor Inter in de Coppa Italia tegen Genoa. Op 11 augustus 2012 tekende hij een contract bij Juventus, dat nu de helft van de rechten van de speler bezit. Hij maakte tijdens het seizoen 2012-2013 wel deel uit van de selectie van Sampdoria. Op 11 juli 2013 tekende Poli een vierjarig contract bij AC Milan, dat drie miljoen euro betaalde voor hem.