Nel giugno del 2012 l'Inter non esercita il diritto di riscatto e per questo motivo Poli torna alla Sampdoria per disputare la stagione 2012-2013. Il 18 novembre seguente segna il suo primo gol in assoluto in Serie A, in occasione del 105º derby di Genova vinto dalla Samp per 3-1. Chiude la sua quarta stagione complessiva in blucerchiato con 32 presenze (31 in Serie A e 1 in Coppa Italia) e 3 gol.