Den 14. juni 2016 ble Gasperini ansatt som trener i Atalanta. I sin første sesong kom Atalanta på fjerdeplass og kvalifiserte seg til Europa League. Den 26. mai 2019 kom Atalanta på tredjeplass og kvalifiserte seg til Mesterligaen for første gang i historien. Atalanta kom også til finalen i 2018–19 Coppa Italia, men der tapte de 2–0 mot Lazio. Den 9. september 2019 ble Gasperini gjort til æresinnbygger i Bergamo. Atalanta kvalifiserte seg til åttendedelsfinalene i Mesterligaen for første gang, etter at de fikk andreplass i sin gruppe i gruppespillet.