Tras la experiencia con la Reggina, Mazzarri firmó un contrato de dos años con la Sampdoria en junio de 2007, que en la primera temporada, llevó a la 'Samp' a la Copa de la UEFA 2008-09 con dos fechas de anticipación, gracias a su 6º puesto en la clasificación. Mazzarri tuvo también el mérito de revitalizar a Cassano, tras unos grises años en el Real Madrid. La temporada siguiente no fue tan exitosa: el equipo genovés concluyó la liga en el decimotercer lugar y fue eliminado de la Copa UEFA ante el Metalist Járkov en los dieciseisavos de final. Sin embargo, se clasificó para la final de Copa de Italia, cayendo solo en los penaltis contra la Lazio. El 31 de mayo de 2009 anunció su marcha de la Sampdoria.