Nella stagione successiva, sotto la guida del nuovo allenatore Paulo Fonseca, Zaniolo viene impiegato come esterno di destra o trequartista nel tridente a sostegno dell'attaccante centrale nel modulo 4-2-3-1 utilizzato all'inizio dal tecnico portoghese. Il 19 settembre 2019 Zaniolo debutta in Europa League, realizzando un gol nella vittoria interna per 4-0 contro il . Nelle settimane seguenti è protagonista dei buoni risultati della squadra, e realizza 4 gol in campionato fino alla fine dell'anno. Il 12 gennaio 2020, durante l'ultima partita del girone di andata giocata all'Olimpico contro la (1-2), riporta la rottura del legamento crociato anteriore del ginocchio destro con associata lesione al menisco. Ritorna in campo 6 mesi dopo l'infortunio, il 5 luglio in occasione della sconfitta maturata al San Paolo contro il Napoli, subentrando a Justin Kluivert nel corso del secondo tempo. Torna al gol sei giorni dopo, realizzando una rete nella partita vinta 3-0 in casa del alla 32ª giornata. Chiude la seconda stagione alla Roma con 33 presenze totali e 8 reti.