L'11 marzo 2018 il comunica di aver raggiunto un accordo con il Grêmio per l'opzione di acquisto a titolo definitivo di Arthur sulla base di 30 milioni di euro più 9 di bonus, da esercitarsi entro il luglio successivo. Il 9 luglio il club spagnolo finalizza l'acquisizione del giocatore, che firma un contratto valido per sei stagioni, versando al club brasiliano 31 milioni di euro più 9 di bonus. Esordisce in maglia "blaugrana" il 12 agosto 2018, disputando da titolare la partita di supercoppa spagnola contro il Siviglia e vincendo così il suo primo trofeo con i catalani. Esordisce nella Liga il 18 agosto seguente, nell'incontro contro l'Alavés. Alla terza giornata del campionato 2019-2020, realizza il suo primo gol con i catalani, ai danni dell'Osasuna, nella partita terminata 2-2.