30 января 2020 года перешёл в «Сельту» на правах аренды до конца сезона. Трансфер обошёлся в 600 тысяч евро и включал опцию выкупа за 6 миллионов евро. Дебютировал 1 февраля в гостевом матче против «Валенсии», выйдя на замену на 78-й минуте. 16 февраля забил первый мяч за клуб, открыв счёт на 7 минуте в гостевом матче 24-го тура против мадридского «Реала» (2:2). В следующий раз Смолов привлёк к себе всеобщее внимание, когда во время паузы в чемпионате, вызванной эпидемией, отправился в Россию. Большинство испанских болельщиков негативно отнеслись к отъезду Фёдора, однако клуб пошёл игроку навстречу. Своё решение покинуть Испанию нападающий мотивировал желанием быть поближе к семье. Второй гол забил в ворота «Барселоны» 27 июня 2020 года в 32-м туре. В конце сезона у нападающего диагностировали отёк приводящей мышцы правой ноги, из-за чего он пропустил последние игры в Ла Лиге.