A pesar d'una molt bona fitxa de 89 gols en 165 partits per als "Bianconeri", Inzaghi va ser ben aviat substituït en favor de David Trezeguet i el 2 de juliol de 2001 va signar per a l'AC Milan per 70 mil milions de lires, o 45 mil milions de lires en efectiu més Cristian Zenoni. (Sky Sports va informar una xifra total més petita, 17 milions de lliures esterlines) per a la campanya 2001-02 per l'entrenador Fatih Terim. La Juventus va anunciar que la venda d'Inzaghi va produir una plusvàlua de 31,1 milions d'euros per al club, fent que la taxa de transferència real superés molt aquesta xifra. Inzaghi, però, va patir una lesió al genoll i es va perdre la primera meitat de la temporada. Al seu retorn, va ser capaç de forjar una forta aliança de gols amb Andriy Shevchenko, i aviat va recaptar un impressionant nombre de trofeus amb els "Rossoneri" sota el nou entrenador Carlo Ancelotti, entre ells la Lliga de Campions de 2002-03 (en la qual el Milan va derrotar al seu equip anterior, el Juventus, en la final per penals), juntament amb la Copa d'Itàlia de 2002-03 (golant en un empate de 2-2 en la segona part), la Supercopa de la UEFA de 2003, la Supercopa d'Itàlia de 2004
, i el 2003-04 "Scudetto". En la campanya de la Lliga de Campions 2002-03, va marcar el seu tercer hat-trick de la Lliga de Campions contra el Deportivo de La Coruña a la fase de grups i un gol decisiu als quarts de final contra l'Ajax, amb un total de 12 gols europeus en aquesta temporada. El novembre de 2004, va signar una pròrroga de contracte amb el club.