El 14 de junio de 2016, el Atalanta anunció la contratación de Gasperini. A pesar de comenzar perdiendo 4 de los 5 primeros partidos de la Serie A 2016-17, luego el equipo bergamasco enlazó 9 partidos consecutivos sin perder que lo catapultaron a las primeras posiciones de la clasificación, terminando la primera vuelta como 6º clasificado. El 11 de mayo de 2017, renovó su contrato con el club "nerazzurro" por tres años más, antes de concluir la Serie A en la 4ª posición de la tabla (clasificatoria para la Liga Europa). El equipo italiano volvería a jugar una competición europea 26 años después.