In 2017 stapte Locatelli binnen het WK wegrace over naar de Moto2, waarin hij op een Kalex reed. Hij had een lastig debuutseizoen waarin hij slechts driemaal punten scoorde, met twee dertiende plaatsen in Tsjechië en Maleisië als beste resultaten. Met acht punten eindigde hij op plaats 28 in het kampioenschap. In 2018 had hij een beter jaar waarin hij in bijna alle races in de punten eindigde, met een achtste plaats in Italië als beste resultaat. Met 52 punten verbeterde hij zichzelf naar de vijftiende plaats in het klassement. In 2019 zakten zijn resultaten over het gehele seizoen ietwat in, alhoewel hij met een zesde plaats in de TT van Assen het hoogtepunt in zijn Moto2-carrière behaalde. Met 46 punten werd hij achttiende in het eindklassement.