Det ble den siste sesongen med laget for både Trey Lance og Jimmy Garoppolo, som ble byttet til henholdsvis Dallas Cowboys og Las Vegas Raiders. Brock Purdy ble lagets startende quarterback i 2023-sesongen. De begynte sesongen med fem strake seiere før et tap mot Cleveland Browns var det første av tre strake nederlag. Etter pauseuken vant laget seks kamper på rad, og sikret divisjonstittelen i NFC West med en 45–29 seier over Arizona Cardinals. To uker senere sikret de første seed i NFC med en seier over Washington Commanders, kombinert med nederlag for Detroit Lions og Philadelphia Eagles, og endte seriespillet 12–5. I sluttspillet slo de Green Bay Packers 24–21 i divisjonsrunden og nådde sitt tredje NFC Championship Game på rad. Til tross for å ligge under med 17 poeng til halftime slo de Detroit Lions 34–31, og nådde Super Bowl for første gang siden 2019. I Super Bowl LVIII, den andre gangen noensinne at kampen gikk til overtid, tapte 49ers 25–22 mot Kansas City Chiefs.