Vào tháng 8 năm 2020, Taremi ký hợp đồng 4 năm với câu lạc bộ Bồ Đào Nha FC Porto. Anh ghi bàn thắng đầu tiên tại giải đấu cho Porto vào ngày 8 tháng 11 năm 2020 trong chiến thắng 3–1 trên sân nhà trước Portimonense. Trong trận siêu cúp Bồ Đào Nha 2020 (Supertaça Cândido de Oliveira) gặp Benfica, bàn thắng đầu tiên của Porto đến từ một quả phạt đền từ pha phạm lỗi với Taremi và được sút thành công bởi Sérgio Oliveira. Kết quả cuối cùng, Porto đã giành thắng lợi 2-0, mang về cho Mehdi Taremi danh hiệu đầu tiên ở châu Âu. Vào ngày 17 tháng 2 năm 2021, Taremi đã mở tỷ số cho Porto trước Juventus trong trận lượt đi của vòng 1/16 UEFA Champions League 2020–21. Anh trở thành cầu thủ Iran đầu tiên ghi bàn trong vòng loại trực tiếp của UEFA Champions League. Vào ngày 13 tháng 4, anh ghi bàn thắng ấn định chiến thắng bằng một cú xe đạp chổng ngược đẹp mắt trong chiến thắng 1–0 trên sân khách trước Chelsea ở tứ kết Champions League, nhưng câu lạc bộ của anh lại thua chung cuộc 1-2. Sau trận chung kết, bàn thắng của anh vào lưới Chelsea được bầu chọn là bàn thắng đẹp nhất UEFA Champions League 2020–21, qua đó giành giải bàn thắng UEFA.com của mùa giải. Taremi kết thúc mùa giải của mình với 16 bàn thắng và 11 đường kiến ​​tạo, trở thành chân sút hàng đầu của mùa giải. Anh cũng có mặt trong Đội hình tiêu biểu của Primeira Liga mùa giải 2020-21.