Di akhir musim 2001–2002, Marotta kembali berganti klub. Kali ini, ia hijrah ke Sampdoria. Saat itu, Sampdoria baru saja menyelesaikan musim di posisi terendah sejak berdirinya klub pada tahun 1946, yaitu di posisi ke-10 Serie B. Untungnya, Sampdoria baru saja dibeli oleh pengusaha lokal asal Genoa bernama Riccardo Garrone yang menyuntikkan dana segar ke klub yang sedang terpuruk itu. Di musim pertama Marotta sebagai GM, ia merekrut pelatih Walter Novellino, yang pernah bersama Marotta membawa Venezia promosi ke Serie A pada tahun 1998. Dengan dana segar yang mereka miliki, Marotta dan Novellino mengubah skuat Sampdoria pada bursa transfer tahun 2002 dengan menambah pemain-pemain veteran Serie A seperti Massimo Paganin, Sergio Volpi, Fabio Bazzani, dan Stefano Bettarini, serta beberapa pemain muda potensial, seperti Angelo Palombo, Maurizio Domizzi dan Andrea Gasbarroni. Perubahan ini terbukti sukses, setelah Novellino berhasil membawa Sampdoria mengakhiri musim 2002-03 di peringkat kedua, membawa mereka kembali promosi ke Serie A. Mereka pun berhasil mencapai babak perempat final di Coppa Italia. Pada musim 2003-04, Marotta membawa dua nama besar Cristiano Doni dan Francesco Antonioli yang membawa Sampdoria mengakhiri musim di posisi delapan, nyaris mencapai kualifikasi UEFA Cup.