Il 25 luglio 2019, Belotti esordisce nelle coppe europee, nel secondo turno preliminare di UEFA Europa League contro il Debrecen (3-0), realizzando il gol del provvisorio 1-0 su calcio di rigore. Alla sua prima esperienza nelle coppe continentali, mette a segno 6 gol in altrettante partite, fra cui il doppio confronto del play-off contro il Wolverhampton, che sancisce però l'eliminazione del Torino. Il 16 settembre 2019 segna il parziale 1-1 contro il Lecce in campionato, diventando il 10º miglior marcatore assoluto della storia del Torino con 78 reti, a cui seguono le doppiette contro il Milan e la Roma. Il 23 giugno 2020, in virtù del gol segnato nella partita casalinga con l'Udinese (1-0), raggiunge per la quinta stagione consecutiva la doppia cifra di reti in Serie A. Il 13 luglio realizza un gol nella sconfitta esterna contro l'Inter (1-3) ed eguaglia Pulici e Graziani segnando almeno 15 gol in due stagioni consecutive con il Torino. Va a segno per 7 partite consecutive tra la 27ª e la 33ª giornata e chiude la stagione con 22 gol tra campionato ed Europa League.