Алессио — воспитанник футбольного клуба «Рома». В 2012 году новый главный тренер клуба Зденек Земан включил семнадцатилетнего Романьоли в заявку первой команды, но при этом молодой игрок регулярно выступал и за клубный дубль. В составе «Ромы» Алессио дебютировал 11 декабря 2012 года, отыграв весь матч с «Аталантой»[4]. 22 декабря он дебютировал в чемпионате Италии, выйдя на поле во встрече против «Милана». Первый гол за «Рому» Романьоли забил 3 марта 2013 года в матче против «Дженоа». 31 мая 2014 года он продлил контракт с «Ромой» до 2018 года.
1 сентября 2014 года Романьоли перешёл на правах аренды в «Сампдорию». Первый гол за «Сампдорию» он забил 24 сентября 2014 года в матче против «Кьево».
11 августа 2015 года Романьоли перешёл в «Милан» за 25 миллионов евро. 5 июня 2018 года Алессио продлил контракт с «Миланом» ещё на 4 сезона[5].
