I august 2012 ble han solgt til for £15 millioner. Song har senere fortalt at Barcelona ikke forespeilet ham å få så mye spilletid, og at han signerte utelukkende av økonomiske årsaker. Likevel endte han opp med å spille 65 kamper for Barcelona under sine to sesonger i klubben. Han scoret ett mål, ga to målgivende pasninger og ble seriemester i 2013. Den harde konkurransen om plasser på midtbanen førte til at han spilte de fleste av sine kamper for klubben i forsvar.