Ngày 1 tháng 10 năm 2019, Gnabry ghi liền 4 bàn thắng tại UEFA Champions League 2019-20 vào lưới Tottenham Hotspur, giúp Bayern giành thắng lợi ngay trên sân khách với tỉ số 7–2. Ngày 25 tháng 2 năm 2020, anh lập cú đúp vào lưới Chelsea ở trận lượt đi vòng 16 đội của Champions League, ấn định chiến thắng 3–0 của Bayern trên sân khách. Thành tích này cũng biến anh trở thành cầu thủ đầu tiên ghi 6 bàn thắng trên sân khách tại Luân Đôn chỉ trong một mùa bóng Champions League. Ngày 14 tháng 8, anh ghi một bàn thắng trong chiến thắng 8–2 trước Barcelona ở vòng tứ kết. Ngày 19 tháng 8, anh lập cú đúp trong trận thắng 3–0 trước Lyon ở vòng bán kết, nâng thành tích của anh lên con số 9 bàn thắng sau 9 trận đá tại giải đấu. Với chiến thắng 1–0 của Bayern trước Paris Saint-Germain tại trận chung kết, anh đã giành được danh hiệu Champions League đầu tiên trong sự nghiệp cùng với đồng đội Joshua Kimmich – một đồng đội khác xuất thân từ học viện của VfB Stuttgart.