Tom Bradshaw gjorde två mål med 15-yards skott på vardera sidan av pausen, efter på-lån Adam Armstrong hade avfyrat Tykes framåt med en 25-minuters straff.
Från 2-0 ner, erbjöd Jonathan Kodjia hopp, poäng från en smal vinkel en minut efter Bradshaws första mål.
Men Bradshaws andra dömde Villa till ett sjunde nederlag på åtta matcher.
Tittat på deras lägsta ligan hemma publiken av säsongen, Villa är fortfarande sju poäng klar för nedflyttning fara efter ett nederlag som tillfogas av två strejkande som förra säsongen gjorde sina mål i Midlands för League One klubbar, Armstrong för Coventry City och Bradshaw för Walsall.
Barnsley är nionde, sex poäng blyg för en play-off plats, efter sin första seger - och mål - i tre matcher.
Villa hade en hel del tidig första hälften innehav och skapade anständiga öppningar, med Henri Lansbury går nära tre gånger, medan Albert Adomah drev ett skott precis över och tidigare Barnsley kapten Conor Hourihane missade en fri rubrik.
Men, ur det blå, spelet ändrades på 25 minuter när ytter Marley Watkins föll kraftigt under Jordan Amavis utmaning och strejker Armstrong, på lån från Newcastle, säkert konverterade den resulterande straffet till Sam Johnstones rätt.
Kodjia gick två gånger nära Villa, endera sidan av Barnsleys Liverpool låntagare Ryan Kent har en fri-kick tipsade bort för ett hörn av hem målvakt Johnstone.
Men på 43 minuter, Barnsley arbetade ett andra mål från höger, med Andy Yiadom blinkar på för Bradshaw att klippa en snygg höger-fot finish inne i Johnstones högra inlägg.
Villas svar var omedelbart, scoring bara en minut senare när Adomahs låga bollen från höger gjorde det bortom det avlägsna inlägget, där Kodjia vände i svalt från en smal vinkel.
Men, på 58 minuter, Barnsley gjorde spelet säkert när Villa misslyckades med att rensa sina linjer från en dåligt försvarad fri-kick, så Bradshaw att borra en låg vänster-fot finish i Johnstones nedre högra hörnet - bara ett sjunde mål för säsongen för sommar signering.
Aston Villas chef Steve Bruce sa till BBC WM:
"Det duger inte. Det är säkert. Vi började bra de första 25 minuterna och hade några chanser men, som har hänt under de senaste fyra eller fem veckorna, vi tog dem inte, vi gör ett misstag, vi blir straffade och det går runt i en ond cirkel. Förtroendet försvinner, det tar över allt och det slutar med att det blir en av de där fula nätterna.
"Vi måste gå tillbaka till grunderna i vad vi var och hur vi förändrade saker och ting när vi först kom in för fyra månader sedan. Vi måste ta bort de fåniga misstagen. Vi gav dem två mål.
"Orsaken till att vi har en av de största löneräkningarna i mästerskapet är att vi måste ta itu med mentaliteten och förväntningarna. Det är därför de får betalt mer än någon annan i den här divisionen.
"Men jag är övertygad om att de är gjorda av rätt saker och kan bli bättre, och det är mitt ansvar att göra dem bättre."
Barnsley chefen Paul Heckingbottom sa till BBC Radio Sheffield:
"Vi var tvungna att jobba hårt för det. Det finns massor av olika sätt att vinna och vi visade allt i ett spel. Vi var pressade under första halvlek men vi försvarade oss riktigt bra.
"Vi är ett aggressivt team. Vi leker inte med rädsla. Vi använder det faktum att vi är en liten grupp spelare, personal och har en liten budget som en del av vår makt och vad vi är.
"Detta är vi, vad vi får, och hur vi kommer att utmärka oss. Vad kan vi göra bättre än alla andra? Vi drar oss inte för det vi saknar.
"Tom Bradshaw tog sina mål väl. Båda instinktiva slutar. Han har gjort mycket på det sättet, inte bara med oss, utan med Walsall. Hans farbror är ett Villa-fan. Han letade efter honom i folkmassan för att fira."
Matchen slutar, Aston Villa 1, Barnsley 3.
Andra halvlek, Aston Villa 1, Barnsley 3.
Birkir Bjarnason (Aston Villa) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av Ryan Williams (Barnsley).
Foul av Leandro Bacuna (Aston Villa).
Adam Hammill (Barnsley) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Handboll av Gethin Jones (Barnsley).
Hörnet, Aston Villa. Förföljd av Angus MacDonald.
Försök blockerat. Leandro Bacuna (Aston Villa) vänster fotade skott utanför lådan är blockerad.
Jonathan Kodjia (Aston Villa) vinner en frispark på högerkanten.
Foul av Angus MacDonald (Barnsley).
Försök missade. Jonathan Kodjia (Aston Villa) höger fotade skott från höger sida av lådan är bara lite för hög.
Försök missade. James Chester (Aston Villa) huvudet från mitten av lådan missar till höger. Hjälpt av Andre Green med ett kors som följer ett hörn.
Hörnet, Aston Villa. Förföljd av Andy Yiadom.
Ersättning, Barnsley. Ryan Williams ersätter Ryan Kent.
Försök missade. Albert Adomah (Aston Villa) höger fotade skott från mitten av lådan är för hög efter ett hörn.
Hörnet, Aston Villa. Förföljd av Andy Yiadom.
Foul av Leandro Bacuna (Aston Villa).
Adam Hammill (Barnsley) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Birkir Bjarnason (Aston Villa).
Andy Yiadom (Barnsley) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Försök missade. Scott Hogan (Aston Villa) höger fotade skott från mitten av lådan missar till vänster. Hjälpt av Leandro Bacuna.
Jordan Amavi (Aston Villa) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av Ryan Kent (Barnsley).
Foul av Leandro Bacuna (Aston Villa).
Adam Armstrong (Barnsley) vinner en frispark i anfallshalvan.
Ersättning, Barnsley. Adam Hammill ersätter Tom Bradshaw.
Försöket räddades. George Moncur (Barnsley) höger fotade skott från utsidan rutan sparas i nedre vänstra hörnet.
Substitution, Aston Villa. Leandro Bacuna ersätter Jack Grealish.
Offside, Aston Villa. Andre Green försöker en genom boll, men Scott Hogan fångas offside.
Försöket räddades. Andre Green (Aston Villa) höger fotade skott från vänster sida av lådan sparas i mitten av målet.
Hörnet, Aston Villa. Förföljd av Gethin Jones.
Försening över. De är redo att fortsätta.
Försening i match Marley Watkins (Barnsley) på grund av en skada.
Substitution, Aston Villa. Andre Green ersätter Henri Lansbury.
Substitution, Aston Villa. Birkir Bjarnason ersätter Alan Hutton.
Försök missade. Jack Grealish (Aston Villa) höger fotade skott utanför lådan är för hög. Hjälpt av Scott Hogan.
Conor Hourihane (Aston Villa) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Matthew James (Barnsley).
Handboll av Conor Hourihane (Aston Villa).
Aston Villas fasansfulla start på 2017 fortsatte som Barnsley skickade dem till ett fjärde raka Championship nederlag - och andra hemma om fyra dagar.