Antonietta Di Martino számára az edzőváltás, Davide Sessától Massimiliano Di Matteo-ra, 2009-ben újraélesztette a formáját. Az olasz beltéri bajnokságot megnyerte, de néhány hónappal később betegség miatt nem vett részt a 2009-es európai beltéri bajnokságon. Bronzérmet nyert a 2009-es Európa Csapatbajnokságon.
és nem sokkal ezután legyőzte Blanka Vlašić-t, hogy megnyerje az Arany Gála találkozót, 2,00 méterrel ugrott Rómában. A 2009-es világbajnokságon 1,99 métert futott, és negyedik lett. Az évet bronzgyőzelemmel zárta a világatlétika döntőjének utolsó kiadásában, és feleségül vette új edzőjét, Di Matteót.