Là một sản phẩm của Học viện bóng đá của Internazionale, Dimarco đã ra mắt vào câu lạc bộ vào ngày 11 tháng 12 năm 2014, tuổi 17, khi anh vào thay thế cho Danilo D'Ambrosio sau 84 phút trong một trận hòa không bàn thắng trước Qarabağ ở UEFA Europa League. Anh đã thi đấu trận đấu Serie A lần đầu tiên vào ngày 1 tháng 2 năm 2015, trong trận thua Sassuolo 1-3. Dimarco đã có trận ra mắt ở Serie A vào ngày 31 tháng 5 năm 2015, trong trận đấu cuối cùng của mùa giải với chiến thắng 4-3 trước Empoli, anh vào sân thay Rodrigo Palacio.

Trong mùa giải 2015-16, anh được lên đội 1. Vào tháng 1 năm 2016, anh được cho mượn tại câu lạc bộ Ascoli ở Serie B và có được 15 lần ra sân.

Anh đã được cho mượn tại câu lạc bộ Serie A Empoli mùa giải 2016-17.