In juli 2018 verkaste de centrumverdediger naar Barcelona, dat circa 35,9 miljoen euro voor hem betaalde. De Fransman zette zijn handtekening onder een verbintenis voor de duur van vijf seizoenen. Op 12 augustus 2018 debuteerde hij voor Barcelona tegen zijn vorige club Sevilla in strijd om de Supercopa de España. Hij speelde de volledige wedstrijd en Barcelona won met 2–1, waardoor Lenglet direct zijn eerste prijs met zijn nieuwe club won. Op 2 september 2018 speelde hij zijn eerste wedstrijd in de Primera División in het shirt van Barcelona, nadat hij Umtiti verving bij een 8–2 thuisoverwinning tegen SD Huesca. Drie weken later maakte Lenglet ook zijn basisdebuut in de competitie voor Barcelona tegen Girona (2–2). In de eerste helft van deze wedstrijd werd hij echter al van het veld gestuurd met een rode kaart nadat hij een tegenstander raakte met zijn elleboog. Op 20 april 2019 was Lenglet voor het eerst trefzeker voor Barcelona. Hij scoorde het openingsdoelpunt in de met 2–1 gewonnen competitiewedstrijd tegen Real Sociedad in Camp Nou. In zijn eerste seizoen bij Barcelona speelde Lenglet in elke wedstrijd van de Champions League en de Copa del Rey. In de eerste competitie werd Barcelona uitgeschakeld in de halve finale door de uiteindelijke winnaar Liverpool, in de Spaanse bekercompetitie werd de finale bereikt, waarin Valencia met 1–2 te sterk bleek. In deze finale gaf Lenglet wel de assist bij het doelpunt van Lionel Messi. Barcelona kroonde zich voor de 26ste maal tot kampioen van Spanje. In zijn tweede seizoen bij Barcelona was Lenglet vaak basisspeler. In oktober 2020 verlengde de centrale verdediger zijn contract tot medio 2026.