Den 4. juli 2019 signerte Pašalić en ny kontrakt med Chelsea frem til 2022, og returnerte til Atalanta på lån for en andre sesong. Den 18. september gjorde Atalanta sin Champions League-debut, der Dinamo Zagreb slo dem 4–0 på Stadion Maksimir. Den 6. november scoret Pašalić utligningsmålet mot i en 1–1 uavgjort på San Siro. Den 11. desember scoret han det andre målet i en 3–0 seier over Sjakhtar Donetsk på Metalist Stadium. Dette gjorde Atalanta til den første debutanten som nådde åttendedelsfinalen i Champions League siden i 2016–17, og den første klubben noensinne som klarte det med bare syv poeng. Den 2. desember 2019 forhandlet Atalanta om en €15 millioner kjøpsopsjon som skulle aktiveres ved slutten av sesongen. Den 15. februar 2020 scoret han seiersmålet i en 2–1 seier over , bare nitten sekunder etter å ha blitt byttet inn for Duván Zapata. Den 19. februar bidro han med to målgivende pasninger til Josip Iličić og Hans Hateboer, da Atalanta beseiret Valencia 4–1 og gikk videre til Champions League kvartfinalen. Den 22. juni ble Mario Pašalić permanent en del av Atalanta for €15 millioner (£13.4 millioner). Den 14. juli scoret han sitt første hat-trick i karrieren i en 6–2 seier over Brescia, og ble den femte kroaten som oppnådde det i Serie A. Den 12. august, i en Champions League kvartfinale mot på Estádio da Luz, scoret han det eneste målet for Atalanta før han ble byttet ut for Luis Muriel; imidlertid klarte PSG å snu resultatet ved å score to mål på overtid og eliminerte Atalanta.