Nel febbraio del 2001 assume la guida della Fiorentina prendendo il testimone da Fatih Terim.
Dopo aver appeso gli scarpini al chiodo e l'esperienza alla Lazio come secondo di mister Sven-Göran Eriksson, per Roberto inizia il percorso da allenatore di una prima squadra. Per la prima volta ha la responsabilità di una panchina tutta sua e l'avventura comincia nel migliore dei modi con la conquista di un trofeo dopo pochi mesi dal suo insediamento. La squadra viola, nonostante Mancini fosse arrivato a stagione in corso, vince subito la Coppa Italia pareggiando 1-1 con il Parma dopo averlo battuto in casa all'andata.
Rimane sulla panchina della Fiorentina fino al gennaio 2002.
