5 июля 2017 года 29-летний Иличич перешёл из «Фиорентины» в «Аталанту» за 5,5 млн евро. В сезоне 2017/18 забил 11 мячей в 31 матче чемпионата Италии. В сезоне 2018/19 помог клубу занять третье место в чемпионате и впервые выйти в Лигу чемпионов УЕФА. В 31 матче Серии А Иличич забил 12 мячей. По итогам сезона был включён в «Команду года» Серии А. 25 января 2020 года сделал хет-трик в ворота «Торино» в гостевом матче чемпионата Италии (7:0). 10 марта 2020 года сделал покер в гостевом матче 1/8 финала Лиги чемпионов против «Валенсии» (4:3). Йосип стал первым в истории футболистом, забившим более 3 мячей в гостевом матче плей-офф Лиги чемпионов, и самым возрастным автором покера в истории турнира. Матч прошёл при пустых трибунах из-за пандемии коронавируса.