Le 28 janvier 2019 Dimítris Nikoláou est recruté par l'Empoli FC en prêt avec option d'achat. Le 15 avril 2019 il joue son premier match sous ses nouvelles couleurs en étant titularisé lors d'une rencontre de Serie A face à l'Atalanta Bergame (0-0). Le club termine cependant 18e du championnat et est donc relégué à l'issue de la saison 2018-2019. La descente du club ne l'empêche de recruter Nikoláou et le 2 juin 2019 est annoncé que l'option d'achat est levée par Empoli.