На всех этих альбомах Дио не играл ни на одном музыкальном инструменте, но известно, что помимо текстов, он сочинял музыку и участвовал в аранжировках всех песен. Вокалист был счастлив работать в группе:

Группа была основана мной и Ричи с определённой задумкой. Мы оба любили один жанр музыки — классику, оба мы были почитателями Баха, в этом мы были похожи. Мы по-настоящему любили рок-н-ролл. Deep Purple были для меня любимой группой на свете, а Ричи был моим героем.

Ричи Блэкмор тоже был очень доволен потенциалом Дио: по его словам, когда он впервые услышал вокалиста, то у него «по спине забегали мурашки». Также гитарист говорил, что ему не приходилось ничего объяснять, так как Ронни делал всё, как нужно. Однако после выхода Long Live Rock 'n' Roll Блэкмор под давлением лэйбла решил сменить направление группы к мейнстриму, что очень не понравилось Дио. К тому же вокалисту надоело всегда находиться в тени легендарного Ричи, и в 1979 году он покинул Rainbow: «для меня всегда было удовольствием играть с Ричи, но делать музыку, которую он планировал, не стало бы для меня таковым; он хотел стать поп-артистом и писать песни о любви, а я этим не занимаюсь».

Black Sabbath

Как раз в это время Black Sabbath расстались с Оззи Осборном, и место вокалиста в группе оставалось вакантным. В 1980 году его занимает Ронни Джеймс Дио, и в первую же ночь его появления в новой группе проходит репетиция, в процессе которой рождается песня «Children of the Sea». Ранее все тексты в группе писал басист Гизер Батлер, а теперь это стал делать только Дио. Ронни очень удачно вписался в новый коллектив: его фэнтезийный стиль написания песен с образами драконов, мечей, волшебников и замков пришёлся как нельзя кстати к звучанию Black Sabbath. Также, по словам гитариста Тони Айомми, появление Ронни позволило группе открыть новые горизонты в музыке и изменить ритмику2010. Сам вокалист сказал, что он сочинял мрачные тексты уже в Elf, но их было невозможно исполнять в стиле, в котором играл коллектив, в Rainbow он уже мог немного пофантазировать, и тексты стали чуть более «тёмными», а Black Sabbath стал для него той группой, в которой он мог делать то, что хочет: писать максимально мрачные песни. Обычно музыканты сочиняли вдвоём: Айомми и Дио с акустической гитарой, но иногда к ним присоединялись другие участники группы.

Первый альбом с участием Дио, Heaven and Hell, имел огромный успех: занял девятое место в Великобритании, был продан тиражом свыше миллиона и подарил группе новое поколение фанов. На концертах Ронни исполнял не только свои композиции, но и те, которые ранее пел Осборн.

Я не волновался, потому что моя задача была не стать таким же как Оззи, а быть музыкантом, который писал песни к альбому Heaven and Hell и исполнял их. Невозможно заменить легенду…можно только самому попытаться стать ей.

Второй альбом — Mob Rules, записанный в ноябре 1981 года, немного уступал предшественнику, но тем не менее имел успех: стал «золотым» в США и попал в двадцатку лучших в Великобритании.

Но период Дио в Black Sabbath вошёл в историю рок-музыки не только качеством и популярностью альбомов: в это время вокалист ввёл в моду жест в виде «рогов» пальцами, который он часто показывал публике на концертах.

Этот жест, названный «козой», стал неотъемлемой частью рок-концертов, а также приветствием для людей, слушающих тяжёлую музыку. По словам самого Дио, «козу» он увидел у своей бабушки, которая использовала его как часть суеверия, отводящего сглаз и нечистую силу, наподобие плевка через плечо. Демонстрация этого жеста в данном контексте в сочетании с мистическими текстами и тяжёлой музыкой Black Sabbath создавала особую атмосферу концертов.