Den 10. august 2017 signerte De Roon igjen for Atalanta for en ukjent sum. Han etablerte seg igjen som en starter under Gian Piero Gasperini, og hjalp Atalanta til en historisk 3. plass i 2018–19 sesongen, noe som sikret dem en plass i 2019–20 UEFA Champions League gruppespill. Han scoret også et volley-mål mot i Coppa Italia-semifinalen i det 58. minuttet. Atalanta vant sammenlagt 5–4, men tapte i finalen mot Lazio. Han debuterte i Champions League den 18. september 2019 mot Dinamo Zagreb.