Tre anni in Serie B, di cui gli ultimi due da grande protagonista, sono sufficienti per far dire al Sassuolo che il ragazzo venuto da Roma è ora pronto per misurarsi con i grandi della Serie A e sono serviti per smussare gli angoli più spigolosi del suo carattere. Nell'estate 2021 Frattesi può far ritorno alla base ed è inserito così nella rosa neroverde agli ordini di mister Alessio Dionisi.
In neroverde ritrova il suo amico Gianluca Scamacca, con cui aveva iniziato il suo percorso nelle Giovanili della Lazio, e sceglie il numero 16. Il tecnico toscano lo pungola e lo stimola fin dai primi giorni del ritiro, strigliandolo quando lo ritiene necessario. Frattesi dimostra di essere maturato, e anziché prendersela, come faceva da giovane, si impegna a fondo.
Dionisi lo schiera nella coppia di mediana nel suo 4-2-3-1. Nonostante il ruolo inedito per il romano, abituato ad agire da mezzala, i risultati saranno straordinari. Davide infatti inizialmente spera in una cessione, poi però si adatta ai compiti tattici che gli vengono affidati e si rivela letale nel suo pezzo forte, l'inserimento offensivo. L'esordio in Serie A arriva il 21 agosto 2021 nella vittoria per 2-3 con il Verona alla prima giornata.
Il 23 ottobre 2021 realizza il suo primo goal in Serie A nel successo casalingo per 3-1 ai danni del Venezia. Lo firma finalizzando una bella penetrazione centrale dopo una triangolazione in velocità con Raspadori. Si ripete la settimana successiva, e stavolta va a segno contro una grande, la Juventus, superata 1-2 all'Allianz Stadium.
Stavolta l'inserimento del centrocampista romano è sulla destra dell'area, e lo scambio con Defrel, ma il risultato è lo stesso: conclusione precisa che non lascia scampo a Perin ed esultanza sopra le righe, alla sua maniera. A fine 2021 mette da parte i suoi propositi di addio:
"All'inizio ero anch'io a spingere per andare via, perché ero fissato con questa cosa del modulo".
“La piazza è più tranquilla rispetto ad altre realtà - aggiunge -, questo credo sia l’ambiente ideale per crescere, per poi andare un giorno in una grande squadra”.
In tutto colleziona 4 reti, tutte siglate nel girone di andata, e 4 assist in 36 presenze di campionato, più 2 gare in Coppa Italia. Il 4 giugno 2022 debutta con la Nazionale maggiore (pareggio 1-1 in Nations League con la Germania).
Il suo nome inizia a circolare con insistenza fra le grandi squadre. La Roma, che lo aveva visto crescere, ci prova. Frattesi, che non nasconde le sue ambizioni, ci spera nuovamente. Anche perché Raspadori e Scamacca vengono lasciati partire. Ma poi l'affare non si concretizza, e il centrocampista deve accettare di fare un'altra stagione con la maglia del Sassuolo.
Nonostante alcuni mesi complicati, la stagione 2022/23 è quella della sua definitiva consacrazione. Segna con Spezia (2-2), Udinese (sconfitta 1-3) e Inter (sconfitta 1-2). Proprio dopo il k.o. con i nerazzurri, comunque si sfoga con una dichiarazione che non lascia molti dubbi.
"Sinceramente ho fatto un ritiro schifoso - ammette -. Sognavo di tornare a Roma e non si è concretizzato, ci sono rimasto male. Poi mi sono rimboccato le maniche, per andare in un top club bisogna dare il massimo qua, dove sono contento di essere rimasto".
I tifosi neroverdi, con cui era entrato in conflitto, si riappacificano con lui. A fine stagione saranno ben 7 le reti per lui in campionato in 36 gare, oltre ad un'apparizione in Coppa Italia.
