Nel 2001-02 conduce i nerazzurri a un passo dal titolo, realizzando 22 reti e offrendo un rendimento eccellente; ciò non basterà a vincere lo scudetto, perso all'ultima giornata a causa della sconfitta contro la sua ex squadra, la Lazio, che il 5 maggio 2002 batte per 4-2 in casa i milanesi. Nell'incontro Vieri è autore del gol del temporaneo 1-0. L'anno dopo, l'attaccante si laurea capocannoniere del campionato di Serie A, con più reti che presenze (24 a 23): 4 gol sono realizzati al nella sfida del 1º dicembre 2002. Segna anche 3 gol in Champions League, i primi con la formazione lombarda; 2 di questi sono nel quarto di finale contro il . Nel ritorno con gli spagnoli si infortuna, chiudendo anzitempo la sua stagione.