Etter et vellykket låneopphold hos Pescara benyttet klubben seg av en overgangsopsjon og sikret seg islendingens underskrift januar 2013. Etter nedrykket til Serie B, inngikk klubben en delt eierskapavtale med UC Sampdoria. Som del av avtalen ble det enighet om at Bjarnason skulle representere Sampdoria i løpet av sesongen 2013-2014. Bjarnason fikk sin debut for Sampdoria i en kamp mot Genoa CFC på Stadio Luigi Ferraris 15. september 2013. Bjarnason startet kampen, men ble byttet ut og erstattet av Roberto Soriano etter 45 minutter i en kamp Sampdoria tapte 3 - 0. Etter Serie A sesongen 2013-2014 med spill i Sampdoria gikk Bjarnason tilbake til Pescara, og spill i Serie B sesongen 2014-2015.