Locatelli rozpoczął sezon 2017/18 jako zawodnik podstawowego składu w rewanżowym meczu kwalifikacyji Ligi Europy przeciwko Universitatea Krajowa, odgrywając kluczową rolę w wygranym 2:0 spotkaniu. Powrót po kontuzji Montolivo, a także dołączenie do klubu Lucasa Biglii spowodowało, że pod wodzą Vincenzo Montelli Locatelli zaczął występować rzadziej. W listopadzie 2017 roku Montella został zwolniony i zastąpiony przez Gennaro Gattuso, który jednak też wolał stawiać na Montolivo i Biglie. Locatelli zakończył sezon z zaledwie 15 występami w podstawowym składzie (z czego tylko 5 w Serie A) i 18 razy pojawiał się z ławki rezerwowych.
Sassuolo Latem 2018 roku Milan pozyskał na zasadzie wypożyczenia Tiémoué Bakayoko i zasugerował, aby Locatelli dołączył do innej drużyny Serie A na zasadzie wypożyczenia, najlepiej bez opcji wykupu. Locatelli zgodził się odejść, ale złożył prośbę o definitywny transfer, podając jako powód swojej decyzji brak zaufania do niego ze strony klubu. W dniu 13 sierpnia 2018 roku Locatelli odszedł na wypożyczenie do Sassuolo, z obowiązkiem wykupu.