Anh bắt đầu sự nghiệp của mình với Atalanta trước khi chuyển đến Milan vào năm 11 tuổi. Với Rossoneri, anh tiến triển qua từng giai đoạn, từ nghiệp dư đến đội trẻ.

Anh được thăng đội 1 lần đầu trong mùa giải 2015-2016. Và đã có trận ra mắt Serie A năm 18 tuổi vào ngày 21 tháng 4 năm 2016, thay thế cho Andrea Poli sau 87 phút thi đấu trong trận hòa 0-0 trước Carpi. Vào ngày 14 tháng 5 năm 2016, anh đã có trận ra mắt trong trận đấu cuối cùng của mùa giải với Roma tại San Siro.

Vào ngày 2 tháng 10 năm 2016, sau khi trở lại thay thế cho đội trưởng Riccardo Montolivo, Locatelli ghi bàn thắng đầu tiên tại Serie A với cú sút đầu tiên của anh trong chiến thắng 4-3 trước Sassuolo. Vào ngày 22 tháng 10, Locatelli ghi bàn với thứ hai của mình ở Serie A giúp Milan đánh bại Juventus.

Vào ngày 25 tháng 1 năm 2017, Locatelli bị đuổi lần đầu tiên trong sự nghiệp của mình sau khi nhận được hai thẻ vàng vào năm tại tứ kết Coppa Italia với Juventus.