Selama pertandingan-pertandingan terakhir di musim 2009–2010, Milito membuktikan impian Inter dalam merengkuh treble pertama dalam sejarah persepak bolaan Italia. Pesepak bola asal Argentina tersebut pertama-tama mencatak gol tunggal saat menaklukkan Roma pada final Coppa Italia 2010 pada 5 Mei 2010, yang membuat "Nerazzurri" membawa pulang trofi pertama mereka pada musim ini. Sebelas hari kemudian, gol Milito menjadi penentu "scudetto" ke-18 Inter ketika mengalahkan Siena 1–0 pada "matchday" terakhir Serie A. Milito menyatakan bahwa gol tersebut merupakan gol terbaik dalam kariernya. Cerita tentang Milito pun belum berakhir, pada 22 Mei 2010 Milito lagi-lagi membuktikan kapasitasnya saat mencetak dua gol untuk mengunci kemenangan Inter pada final Liga Champions 2010 atas Bayern Munich. Alhasil, Inter mendapat trofi Liga Champions pertama mereka dalam 45 tahun terakhir dan berhasil melengkapi koleksi trofi "treble" mereka yang bersejerah pada musim tersebut.