Après l'élimination du Chili en Copa América, Alexis Sánchez s'engage en juillet 2011 pour cinq ans au FC Barcelone, contre une indemnité de transfert de 26 millions d'euros et 11.5 millions de bonus. Alexis Sánchez devient ainsi le premier joueur chilien de l'histoire à porter le maillot "blaugrana" du Barça. Pep Guardiola a justifié le recrutement de Sánchez car il peut jouer à tous les postes offensifs, pour sa capacité à exercer un fort pressing sur l'adversaire et pour sa qualité dans les un-contre-un, qui lui permet de déborder les défenseurs. Alexis fait ses débuts avec le FC Barcelone le lors du match aller de la supercoupe d'Espagne, face au Real Madrid (2-2), trophée remporté par le Barça au match retour. Deux semaines plus tard, Alexis gagne la Supercoupe d'Europe contre le FC Porto. Il inscrit son premier but avec le club catalan le , face à Villarreal en championnat. Le , Alexis marque son premier doublé avec son nouveau club face au Rayo Vallecano de Madrid. Le , il marque un très beau but face à Levante UD. Le lors du "Clásico" face au Real Madrid, il marque le but de l'égalisation, le Barça gagne ce match 3-1. Le , Alexis remporte son troisième titre avec le FC Barcelone lors de la Coupe du monde des clubs. Le , il réalise une bonne performance face au Betis Séville, inscrivant un but et une passe décisive dans la victoire (4-2) de son équipe. Le , Alexis est l'auteur d'un doublé en de finale aller de la Ligue des champions face au Bayer Leverkusen (victoire 3-1 du Barça), ce qui permet au club catalan d'avoir une option sur la qualification en 1/4 de finale. Le , il devient le premier Chilien de l'histoire à disputer une demi-finale de Ligue des champions.