Am 23. Januar 2019 wechselte Piątek zum Ligakonkurrenten AC Mailand. Er erhielt einen Vertrag mit einer Laufzeit bis zum 30. Juni 2023. Im Pokalspiel gegen die SSC Neapel erzielte Piątek am 29. Januar beim 2:0-Heimsieg seiner Mannschaft beide Tore der Partie und damit seine ersten Pflichtspieltreffer für die AC Mailand, wodurch seine Mannschaft das Halbfinale des Wettbewerbs erreichte, in dem man an Lazio Rom scheiterte. Bis zum Saisonende kam Piątek in allen Spielen seines Vereins zum Einsatz. Er erzielte insgesamt elf Tore in 21 Spielen sowie vereinsübergreifend 30 in 42 Partien. Der AC Mailand belegte den fünften Tabellenplatz in der Liga. In der folgenden Saison verteidigte Piątek zwar seinen Stammplatz, konnte an die Leistung der vergangenen jedoch nicht anknüpfen. Die schwankenden Leistungen des AC Mailand, der nach der Hinrunde nur den zwölften Tabellenplatz belegte, griffen auch auf Piątek über, der lediglich auf sechs Scorerpunkte (fünf Tore, eine Vorlage) in 20 Spielen kam. Nach der Verpflichtung des 38-jährigen Zlatan Ibrahimović zum Jahreswechsel büßte Piątek auch seinen Stammplatz ein und kam im Januar nur noch zu zwei von fünf möglichen Einsätzen.