Nel 1987/1988, dopo l’esperienza al Como nella stagione precedente, arriva in B all’Atalanta, conquista al primo colpo la promozione in Serie A, ma soprattutto rende la Dea assoluta protagonista in Coppa delle Coppe arrivando sino alla semifinale poi persa con il Malines. In massima serie strappa una sesta e una settima piazza, con qualificazione alla Coppa Uefa. Dopo il triennio nerazzurro, Mondonico passa al Torino vincendo una Coppa Italia e arrivando in finale di Coppa Uefa, persa contro l’Ajax, e divenendo celebre per la famosa scena della sedia in aria.

Chiusa la parentesi granata, Mondonico torna all’Atalanta, in B e la riporta subito in A e nella stagione successiva arriva sino alla finale di Coppa Italia poi persa contro la Fiorentina. Questa volta però l’esperienza alla Dea si chiude in maniera infelice perché nel 1997/1998 la squadra retrocede in B. Torna poi al Torino e seguono avventure con Napoli, Cosenza, Fiorentina, AlbinoLeffe, Cremonese e Novara.

Complessivamente con l’Atalanta raccoglie 76 panchine in B (31 V, 34 N e 11 P), 170 in A (52 V, 53 N, 65 P), 39 in Coppa Italia (16 V, 7 N, 16 P), 8 in Coppa delle Coppe (3 V, 1 N, 4 P) e 2 in Coppa Uefa (0 V, 1 N, 1 P).