Sommeren 2017 gikk inn for å kjøpe Dembélé. Den katalanske klubben hadde nettopp solgt Neymar for rekordsummen £198 millioner, og siktet seg inn på Dembélé, som da var regnet som et av de største løftene i fotballverden. Dortmund ønsket imidlertid å holde ham i klubben. Da Dortmund avslo Barcelonas tilbud, valgte Dembélé å streike for å tvinge gjennom en overgang. 25. august 2017 ble Dortmund og Barcelona enige om en overgangssum på 105 millioner euro pluss fremtidige bonuser for Dembélé. 28. august 2017 skrev han under en femårskontrakt med Barcelona, med en utkjøpsklausul på 400 millioner euro. Overgangssummens størrelse var på tidspunktet tidenes nest største, bare slått av Neymars overgang til Paris St. Germain noen uker i forveien.