Il 3 giugno 2016 passa ufficialmente al Borussia Dortmund per la cifra di 8 milioni di euro, pari al valore della clausola rescissoria. La prima presenza con la nuova maglia la trova nella finale della Supercoppa di Germania persa 2-0 contro il Bayern Monaco, mentre il 22 agosto trova la prima presenza in coppa di Germania nella partita vinta 3-0 in casa dell'Eintracht Trier. Il 27 dello stesso mese trova la prima presenza in Bundesliga nella prima giornata in occasione della vittoria per 2-1 in casa contro il Mainz. Il primo gol invece con la nuova maglia arriva alla prima presenza in Champions League con la nuova maglia nella vittoria esterna per 6-0 in casa del Legia Varsavia. L'11 aprile 2017, alla vigilia della partita di Champions League contro il , un'esplosione investe il pullman su cui viaggiava il Borussia Dortmund; Bartra viene ferito al polso e al braccio da alcune schegge di vetro e successivamente operato.