Ritorno all'Inter
Il 29 giugno 2022 viene annunciato il suo ritorno all'Inter con la formula del prestito oneroso; il giocatore sceglie di vestire la maglia numero 90 (essendo il 9 già occupato da Edin Džeko). Il 13 agosto, nella prima gara di campionato contro il Lecce vinta per 2-1, segna il primo gol dal ritorno in nerazzurro; curiosamente, la squadra salentina era la stessa contro la quale il belga aveva segnato la prima rete in assoluto in Italia nell'agosto 2019.
Infortunatosi una prima volta a fine agosto e poi ancora a fine ottobre dopo un breve ritorno in campo, torna da titolare solo il 4 gennaio 2023 nella vittoria contro il Napoli per 1-0.Il 18 gennaio seguente, pur senza scendere in campo perché alla prese con il recupero da un altro infortunio, vince il suo secondo trofeo con l'Inter, la Supercoppa italiana, con i nerazzurri che battono il Milan per 3-0. Il 22 febbraio, invece, torna a segno in UEFA Champions League, decidendo la gara di andata della sfida degli ottavi di finale contro il Porto (1-0). Il finale di stagione è in crescendo, ma il finale ha un sapore amaro: all'ultimo atto di Champions, contro il Manchester City, Romelu sbaglia incredibilmente il gol dell'1-1 a un metro dalla porta e "para" la conclusione di Dimarco a colpo sicuro. Quegli errori saranno fatali per l'Inter, e forse hanno inciso anche sulla clamorosa fine della sua storia in nerazzurro.