Milan kom till hemmamatchen mot Sassuolo med en poäng på sina två senaste Serie A-matcher.
Det blev också en tuff match mot Sassuolo trots att lagkaptenen Alessio Romagnoli nickade in 1-0 på en hörna efter 20 minuters spel.
Gianluca Scamacca kvitterade med ett kanonskott bara tre minuter senare och Sassuolo ledde i paus efter ett självmål från Simon Kjaer. Domenico Berardi utökade i mitten av den andra halvleken och Sassuolo slog Milan med 3-1.
Zlatan Ibrahimovic spelade hela matchen för Milan men hade svårt att ta sig till målchanser.
I och med Milans förlust blir det allt mer tajt i tabelltoppen och lokalrivalen Inter är bara en poäng bakom Milan. Napoli har lika många poäng som Milan men en match mindre spelad.