Le FC Barcelone tente de le recruter, mais, alors que le transfert est en bonne voie, Chyhrynskyi dispute un match préliminaire de Ligue des Champions, ce qui empêchera le Barça de l'aligner dans cette compétition lors de la saison 2009-2010. Malgré cela, l'entraîneur du FC Barcelone, Josep Guardiola, tient absolument à le recruter et affirme que Chyhrynskyi est un joueur idéal pour le Barça. Guardiola apprécie particulièrement son habileté avec le ballon et sa vision du jeu, choses rares chez un défenseur central. Finalement, l'arrivée de Dmytro Chygrynskyi au FC Barcelone a été officialisée après la finale de la Supercoupe de l'UEFA qui opposait le Chakhtar Donetsk au Barça le 28 août 2009. Le montant du transfert est de 25 millions d'euros et la durée du contrat est de cinq ans. Chyhrynskyi devient ainsi le premier Ukrainien à porter les couleurs du Barça. Son salaire annuel sera de 1.2 million d'euros qui augmentera au fur et à mesure, pour atteindre 2 millions d'euros à la fin de son contrat. Le contrat comporte une clause libératoire de 100 millions d'euros. Il joue son premier match avec sa nouvelle équipe le 12 septembre 2009 contre Getafe CF (victoire 2-0 du Barça) lors de la du championnat d'Espagne, mais n'arrive pas à s'imposer en tant que titulaire dans les premiers mois et cela malgré les compliments répétés de l'entraîneur catalan Pep Guardiola. « Dima » boucle sa première saison avec 15 apparitions au compteur et contribue à l'acquisition de 2 titres importants.