Per il ritorno in Serie A la rosa della squadra venne in parte cambiata con l'ingaggio di nuovi giocatori, tra cui i brasiliani Luvanor e Pedrinho, il difensore Giuseppe Sabadini, il centrocampista Ciro Bilardi e Fortunato Torrisi. La stagione 1983-84 in massima serie si rivelò alquanto disastrosa: dopo la vittoriosa gara interna contro il Pisa per 2-0 (doppietta di Cantarutti) alla quarta giornata, il Catania collezionò una lunga serie di risultati negativi che alla dodicesima giornata, nella partita persa in trasferta per 3-0 contro il Genoa, portarono all'esonero di Di Marzio. Al suo posto fu chiamato Giovan Battista Fabbri, ma il cambio di allenatore non invertì il cammino della squadra in campionato: il bilancio finale fu di una sola vittoria, dieci pareggi e ben diciannove sconfitte, molte delle quali con un forte passivo di reti, come il 6-0 dell'ultima giornata subito in casa dell'Inter. La retrocessione in B fu inevitabile essendosi piazzato all'ultimo posto con 12 punti, record negativo assoluto di punti detenuto dalla squadra etnea per il campionato di Serie A a 16 squadre.