W nowym klubie zadebiutował 4 sierpnia 2016 roku w meczu 3. rundy kwalifikacyjnej do Ligi Europy UEFA w wygranym 3:0 spotkaniu ze szwajcarskim FC Luzern. Wszedł na boisko na ostatnie kilkanaście minut. Debiut w Serie A zanotował 21 sierpnia 2016 roku w meczu 1. kolejki przeciwko Palermo. Sassuolo wygrało ten mecz 1:0, a Sensi zagrał całe spotkanie. Pierwszego gola w barwach Neroverdich zdobył 16 października tego samego roku w wygranym 2:1 spotkaniu z Crotone.
2 lipca 2019 Inter Mediolan ogłosił pozyskanie Sensiego na zasadzie wypożyczenia, z opcją wykupu na stałe po zakończeniu sezonu. Debiut w nowych barwach nastąpił 26 sierpnia podczas meczu ligowego z US Lecce.
31 sierpnia 2020 roku Inter ogłosił, że skorzystał z klauzuli wykupu zawodnika i podpisał z nim czteroletnią umowę.
24 czerwca 2026 roku podpisał dwuletnią umowę z CSKA Sofia za około 200 tysięcy euro. Zadebiutyował 9 lipca w spotkaniu eliminacji Ligi Europy przeciwko Derry City (3:2), zaliczając asystę przy bramce Bruno Jordão.
Kariera reprezentacyjna Debiut w reprezentacji Włoch zanotował 20 listopada 2018 roku w wygranym 1:0 towarzyskim meczu z reprezentacją Stanów Zjednoczonych.