Le , Rafael Leão signe un contrat de cinq saisons avec l'AC Milan. Il joue son premier match sous ses nouvelles couleurs le suivant, lors de la première journée de la saison 2019-2020 de Serie A face à l'Udinese Calcio. Il entre en jeu à la place de Samu Castillejo lors de cette rencontre perdue par son équipe (1-0). Il inscrit son premier but le contre l'AC Fiorentina, lors d'un match de championnats perdu par les Milanais (1-3).