El 8 de enero de 2015, se hizo oficial su cesión por 6 meses con opción de compra al Atalanta, para disputar la segunda mitad de la temporada 2014-15. Hizo su debut el 11 de enero por la jornada 18 jugando como titular en la igualdad 1-1 con Chievo Verona. El 1 de febrero anotó su primer gol con la camiseta "Nerazzurri" en el triunfo de local dos a uno sobre su ex club Cagliari. El 22 de marzo se convirtió en el máximo goleador chileno en Serie A al anotar en la igualdad 1-1 sobre Napoli llegando a 37 goles por la primera división italiana, superando los 36 de Marcelo Salas. El 4 de abril marcó uno de los mejores goles de la temporada en Italia, corría el minuto 74 su equipo caía por 2-0 y Pinilla se mando un gol al hacer un especia de "tijera" puso el descuento para su elenco con una espectacular acrobacia, aunque luego en los minutos finales fue expulsado con roja directa tras cometer una fuerte infracción a un rival. Regresó el 29 de abril logró su primer doblete con su nuevo equipo en la igualdad 2-2 contra Cesena. Cierra la temporada con 6 goles en 14 partidos, siendo crucial para que su equipo por poco evitará el descenso acabando en el 17° puesto solo con 3 puntos más que el Cagliari (último equipo en descender), debido a esto es convocado para jugar la Copa América con .