23. syyskuuta 2020 Fati ylennettiin virallisesti ensimmäiseen joukkueeseen. Neljä päivää myöhemmin, Barcelonan ensimmäisessä ottelussa 2020/21 La Liga -kaudella
Fati teki penaltipotkun Villarrealin voitossa 4:0 vastaan. Hän teki taas maalin seuraavassa ottelussa, 3-0 vieras voitto Celta Vigon kanssa 1. lokakuuta. Hänen suorituksensa johtivat siihen, että hänet nimitettiin syyskuun 2020 La Liga -pelaajaksi. 20. lokakuuta hän teki maalin Ferencvárosia vastaan 5-1 voitossa Mestarien liigassa, ja hänestä tuli ensimmäinen pelaaja, joka teki enemmän kuin yhden maalin kilpailussa ennen 18-vuotista. 24. lokakuuta hän teki maalin Real Madridiin 1:3 tappiossa ja hänestä tuli El Clásico -ottelun nuorin maali, 17-vuotias ja 359-päiväinen. Fati loukkaantui 7. marraskuuta Real Betisillä, ja hänet siirrettiin pois puolivälin jälkeen. Kaksi päivää myöhemmin hänelle tehtiin leikkaus, ja klubi ilmoitti, että hän olisi poissa noin neljä kuukautta.