El 15 de agosto de 2009, Dos Santos fue convocado para su primer partido oficial con el primer equipo: la Supercopa de España, ante el Athletic Club, imponiéndose el F. C. Barcelona al final por la mínima diferencia de 1-0. El 28 de octubre de 2009 debutó con el primer equipo del F. C. Barcelona en un partido de Copa del Rey frente a la Cultural Leonesa, entrando de cambio al minuto 79 por Seydou Keita. En ese partido el F. C. Barcelona se impuso por 2-0. El 24 de noviembre de 2009 debutó en la Liga de Campeones ante el Inter de Milán, entrando de cambio al minuto 94 por Andrés Iniesta. En enero de 2010, Pep Guardiola lo convocó para el primer equipo, junto a Víctor Vázquez y Thiago Alcántara, para suplir las bajas de Yaya Touré y Seydou Keita, que viajaron a disputar la Copa Africana de Naciones 2010. Debuta el 2 de enero de 2010 como titular en Primera División ante el Villarreal CF. Aquella temporada jugó 32 partidos con el filial en Segunda, marcando 2 goles.