Escriu una continuació per a aquest paràgraf - El 23 de setembre de 2020, Fati va ser promocionat oficialment al primer equip. Quatre dies més tard, en el primer partit del Barcelona de la temporada 2020/21 de la Lliga
i el primer sota el nou entrenador en cap Ronald Koeman, Fati va marcar un brace i va forçar un penal en una victòria de 4 a 0 sobre el Villarreal. Va marcar de nou en el partit següent, una victòria de 3 a 0 sobre el Celta Vigo l'1 d'octubre. Les seves actuacions el van portar a ser nomenat Jugador del Mes de la Lliga per al setembre de 2020. El 20 d'octubre, va marcar un gol en una victòria de 5 a 1 sobre el Ferencváros a la Lliga de Campions, convertint-se en el primer jugador en marcar més d'un gol a la competició abans de complir els 18 anys. El 24 d'octubre, va marcar un gol en una derrota d'1 a 3 contra el Reial Madrid, per convertir-se en el goleador més jove d'El Clásico, amb 17 anys i 359 dies d'edat. El 7 de novembre, Fati va patir una lesió al genoll contra el Real Betis i va ser substituït al descans; les proves més tard van confirmar que es va trencar el menisc al genoll esquerre. Dos dies després es va sotmetre a una operació i el club va anunciar que estaria fora durant aproximadament quatre mesos.