21 января 2021 года появилась информация о согласовании перехода Кокорина в итальянскую «Фиорентину», подписание контракта запланировано на 26 января, после медобследования. В этот же день, 21 января, Кокорин покинул расположение «Спартака» и на сайте команды было объявлено о договорённости с «Фиорентиной» о переходе. По данным СМИ, сумма трансфера составила 5 миллионов евро. В новом клубе выбрал себе 91-й игровой номер. 26 января 2021 года, после успешного прохождения медицинского осмотра, заключил контракт с «фиалками». По соглашению форвард зарабатывал 1,8 миллиона евро в год и занимал третье место в зарплатной ведомости клуба. 5 февраля 2021 года дебютировал за «Фиорентину» в домашнем матче 21-го тура чемпионата Италии против «Интернационале» (0:2), выйдя на замену на 73-й минуте вместо Душана Влаховича. В начале марта клуб объявил, что во время матча 25-го тура с «Ромой» (1:2) футболист усугубил травму прямой мышцы бедра левой ноги и покинул расположение команды, чтобы пройти курс лечения в Риме. Только спустя два с половиной месяца россиянин вернулся на поле, выйдя на замену в матче заключительного, 38-го тура итальянской Серии А с «Кротоне» (0:0). В течение сезона Кокорин подвергался резкой критике в соцсетях — фанаты «фиалок» были в ярости, а болельщики других команд шутили над «топ-приобретением» клуба из Флоренции. За 4 матча сезона форвард ни разу не пробил по воротам, не отдал ни одного паса под удар. В сезоне 2021/22 россиянин принял участие в трёх матчах Серии А и не отметился результативными действиями. Во всех встречах игрок выходил на замену, самым ранним оказалось его появление на поле на 77-й минуте игры с «Наполи» (1:2). В октябре 2021 года стало известно, что Кокорин получил лёгкую травму, а именно перенапряжение мышц.