Em três temporadas no Barcelona, comandado pelo holandês Frank Rijkaard, Belletti conquistou dois Campeonatos Espanhóis e tornou-se o herói da conquista da Liga dos Campeões no dia 17 de maio de 2006, ao marcar o gol da vitória na final, em Paris, contra o Arsenal de Henry, Fàbregas e Gilberto Silva. Fazia 14 anos que o clube não ganhava a competição.