Pada 25 Juli 2020, Lukaku kembali mencetak dua gol pada kemenangan 3–0 atas Genoa, menjadikannya pemain Inter pertama sejak István Nyers pada musim 1949–50 yang mencetak 15 gol tandang dalam satu musim Serie A. Ia mengakhir musim perdananya di Serie A dengan catatan 23 gol dan membawa Inter ke posisi ke-2 klasemen akhir, dengan hanya berselisih satu poin dengan pemuncak klasemen Juventus. Pada 5 Agustus 2020, Lukaku mencetak salah satu gol kemenangan 2–0 atas Getafe pada babak enam belas besar Liga Eropa UEFA. Kemenangan itu membawa Inter melaju ke babak perempat final, pencapaian terbaik mereka pada sebuah kompetisi klub UEFA sejak 2011. Gol itu merupakan gol Lukaku ke-30 pada semua kompetisi, catatan terbaiknya dalam satu musim, dan menjadikan Lukaku pemain yang mencetak gol pada delapan pertandingan Liga Eropa secara berturut-turut, menyamai rekor Alan Shearer pada 2004–05. Rekor yang kemudian ia pecahkan pada 10 Agustus 2020, menjadikan Lukaku pemain yang mencetak gol pada sembilan pertandingan Liga Eropa secara berturut-turut, setelah ia mencetak salah satu gol kemenangan 2–1 atas Bayer Leverkusen pada babak perempat final, sekaligus membawa Inter lolos ke babak semi final. Pada 17 Agustus 2020, Lukaku mencetak dua gol kemenangan 5–0 atas Shakhtar Donetsk, memecahkan rekor yang sebelumnya ia catat dan menjadikan Lukaku pemain yang mencetak gol pada sepuluh pertandingan Liga Eropa secara berturut-turut, sekaligus membawa Inter melaju ke laga final. Pada pertandingan final, 21 Agustus 2020, Lukaku mencetak satu gol dari titik penalti di menit ke-5 dan satu gol bunuh diri di menit ke-74, yang merupakan gol penentu kemenangan 3–2 Sevilla atas Inter. Meski demikian, Lukaku menyamai catatan Ronaldo pada musim 1997–98 sebagai pemain Inter yang mencetak 34 gol pada semua kompetisi.