Barnes choisit de faire sa carrière universitaire avec les Tar Heels de l'université de Caroline du Nord entraînés par Roy Williams. Après sa première saison (2010-2011), Barnes est nommé meilleur joueur de première année () de l'Atlantic Coast Conference. Bien classé dans les prévisions pour la Draft 2011 de la NBA, Barnes choisit toutefois de rester au niveau universitaire.