Den 31. august 2011 på overgangsvinduets siste dag ble Nocerino solgt til AC Milan med en overgangssum på 500 000 euro, hvor han signerte en kontrakt med en varighet på fem år. Han debuterte for klubben i sesongens første kamp, hvor han kom inn som innbytter for Alberto Aquilani, som også var debutant for Milan. Nocerinos første mål for Milan kom i kampen mot gamleklubben Palermo den 15. oktober samme år. På grunn av skader på midtbanen hos Milan fikk han tillit av trener Massimiliano Allegri, og fikk 35 seriekamper og ti mål i sin første sesong for Milan.