Op 29 mei 2017 werd hij aangesteld als trainer bij FC Barcelona, als opvolger van Luis Enrique. In de zomer van 2017 kreeg Valverde al gelijk een tegenslag toen Neymar verkaste naar Paris Saint-Germain. Op zijn plaats haalde hij Ousmane Dembélé en Paulinho naar Camp Nou. De Spanjaard kreeg als eerste taak om de Supercopa te winnen van rivaal Real Madrid. Dat mislukte: de thuiswedstrijd werd met 3-1 verloren en de terugwedstrijd eindigde in een 2-0 winst voor de Madrilenen. In de winterstop was FC Barcelona in de competitie nog ongeslagen en stond men op kop in de Primera División met minimaal 9 punten voorsprong op de concurrentie. Ook had Barcelona zich gekwalificeerd voor de knock-outfase van de Champions League en kwalificeerde ze zich voor de halve finale van de Copa del Rey. In Europa speelde FC Barcelona de 1/8 finale tegen Chelsea FC. Over 2 wedstrijden won de Spaanse club met 4-1. Diezelfde stand stond er na 1 wedstrijd in de kwartfinale tegen AS Roma. Maar in de tweede wedstrijd in Rome gebeurde iets wat niemand had verwacht: de Romeinen wonnen met 3-0 en Barca was uitgeschakeld. Dat was de derde keer op rij dat de club uit Catalonië uitgeschakeld werd in de kwartfinale van het miljoenenbal. Ze wonnen dat seizoen wel de dubbel. Met nog 4 wedstrijden te staan was FC Barcelona al kampioen en alleen de voor na laatste wedstrijd in de competitie hield ze tegen om dat ongeslagen te doen. En door op 21 april 2018 met 5-0 van Sevilla te winnen, wonnen ze ook de Spaanse beker. In het seizoen daarop moest Ernesto Valverde het doen zonder Andres Iniesta, die vertrok naar het Japanse Vissel Kobe. De eerste prijs van het seizoen werd gewonnen. De Supercopa werd met 2-1 gewonnen van Sevilla. Op 13 januari 2020 werd Valverde ontslagen als trainer bij FC Barcelona na een reeks teleurstellende resultaten. Hij werd opgevolgd door Quique Setién.