Ngày 23 tháng 9 năm 2020, Fati ký hợp đồng mới với Barcelona có thời hạn đến năm 2024 và mức phí phá vỡ hợp đồng là 468 triệu USD. Từ mùa 2020-2021, anh sẽ là cầu thủ chính thức của đội A và mặc áo số 22. Trong trận đấu vòng đầu tiên của La Liga 2020–21 và dưới thời tân huấn luyện viên Ronald Koeman, Fati ghi được một cú đúp trong 4 phút và còn kiếm được quả phạt đền đem về chiến thắng 4–0 trước Villarreal.