1 lutego 2021 znalazł się w składzie Bayernu Monachium na Klubowe Mistrzostwa Świata 2020. Bayern jako zwycięzca Ligi Mistrzów UEFA zmagania na rozgrywanym w Katarze turnieju rozpoczął od półfinału, w którym zmierzył się ze zdobywcą afrykańskiej Ligi Mistrzów, egipskim Al-Ahly. W spotkaniu rozegranym 8 lutego na Ahmed bin Ali Stadium Lewandowski strzelił dwa gole, a także został wybrany zawodnikiem meczu i dzięki zwycięstwu 2:0 awansował z drużyną do finału. Rozgrywając mecz z Al-Ahly, Lewandowski stał się pierwszym Polakiem, który zagrał na klubowych mistrzostwach świata, a zarazem pierwszym polskim strzelcem i najskuteczniejszym zawodnikiem Bayernu Monachium w historii turnieju. W finale, rozegranym 11 lutego 2021 na Education City Stadium w Ar-Rajjan, Bayern mierzył się ze zwycięzcą Ligi Mistrzów CONCACAF, meksykańskim zespołem Tigres UANL. Lewandowski rozegrał w tym spotkaniu 73 minuty i miał udział przy zwycięskiej bramce Benjamina Pavarda z 59. minuty spotkania, które zakończyło się zwycięstwem niemieckiej drużyny 1:0. Po zakończeniu meczu Lewandowski otrzymał Złotą Piłkę dla najlepszego zawodnika turnieju, a także został wybrany najlepszym zawodnikiem meczu finałowego. Stał się wówczas drugim, po Tomaszu Kuszczaku, polskim piłkarzem, który sięgnął po klubowe mistrzostwo świata, i trzecim, biorąc pod uwagę Puchar Interkontynentalny, natomiast Bayern jako druga drużyna w historii, po FC Barcelonie z 2009, zdobył szóste trofeum podczas jednej kampanii.