Scrivi una continuazione per questo paragrafo - Il 23 settembre 2020, Fati è stato ufficialmente promosso nella prima squadra. Quattro giorni dopo, nella prima partita del Barcellona della stagione 2020/21 della La Liga
e il primo sotto il nuovo capo allenatore Ronald Koeman, Fati ha segnato un brace e ha forzato un penalty in una vittoria di 4 a 0 sul Villarreal. Ha segnato di nuovo nella partita successiva, una vittoria da 3 a 0 contro il Celta Vigo il 1 ottobre. Le sue prestazioni lo hanno portato a essere nominato giocatore del mese di La Liga per settembre 2020. Il 20 ottobre, ha segnato un gol in una vittoria di 5 a 1 contro il Ferencváros nella Champions League, diventando il primo giocatore a segnare più di un gol nella competizione prima di compiere 18 anni. Il 24 ottobre, ha segnato un gol in una sconfitta 1 a 3 contro il Real Madrid, diventando il più giovane marcatore in El Clásico, di 17 anni e 359 giorni. Il 7 novembre, Fati subì un infortunio al ginocchio contro il Real Betis e fu sostituito a metà tempo; i test successivamente confermarono che aveva lacerato il menisco sul ginocchio sinistro. Due giorni dopo è stato operato e il club ha annunciato che sarebbe stato fuori per circa quattro mesi.