Obfitym w sukcesy był też sezon 1980/1981, gdy Agostino drugi raz rzędu sięgnął po krajowy puchar, a następnie także po wicemistrzostwo Włoch. W sezonie 1981/1982 wraz z kolegami klubowymi zakończył ligę na 3. miejscu w tabeli. Latem 1982 z zespołu odszedł libero Maurizio Turone i Liedholm dość niespodziewanie przesunął Agostina na tę pozycję. Mimo grania w obronie Di Bartolomei zdobył 7 goli w lidze (po Roberto Pruzzo najwięcej w zespole) i walnie przyczynił się do wywalczenia przez „giallo-rossich” pierwszego od 1942 roku mistrzostwa kraju. W 1984 roku zdobył kolejny Coppa Italia, wicemistrzostwo Italii, a także dotarł do finału Pucharu Mistrzów, w którym wystąpił przez pełne 120 minut, skutecznie wykorzystał rzut karny w serii rzutów karnych, jednak rzymianie przegrali w niej 2:4 z Liverpoolem i to Anglicy sięgnęli po puchar. Dla Romy przez 11 sezonów rozegrał 237 ligowych spotkań (w tym ponad 130 jako kapitan) i strzelił 50 bramek.
Latem 1984 Di Bartolomei zmienił barwy klubowe i przeszedł do A.C. Milan, gdzie także miał pewne miejsce w składzie, a do zespołu ściągnął go sam Liedholm. W 1985 roku zajął z Milanem 5. miejsce w Serie A oraz wywalczył pierwszy puchar kraju w barwach nowego klubu. W 1986 roku zakończył sezon w „rosso-nerich” na 7. pozycji, a rok później na 5.