Skriv en fortsættelse til dette afsnit - Den 23. september 2020 blev Fati officielt forfremmet til førsteholdet. Fire dage senere, i Barcelonas første kamp i La Liga-sæsonen 2020/21
og den første under den nye hovedtræner Ronald Koeman, Fati scorede en brace og tvang en straf i en 4 til 0 sejr over Villarreal. Han scorede igen i den følgende kamp, en 3-0 sejr over Celta Vigo den 1. oktober. Hans præstationer førte til, at han blev udnævnt til La Liga-spilleren af måneden for september 2020. Den 20. oktober scorede han et mål i en 5-1 sejr over Ferencváros i Champions League, for at blive den første spiller til at score mere end et mål i konkurrencen, før han blev 18. Den 24. oktober scorede han et mål i et 1 til 3 nederlag mod Real Madrid, og blev den yngste målmand i El Clásico, 17 år og 359 dage gammel. Den 7. november fik Fati en knæskade mod Real Betis og blev udskiftet i halvleg. Undersøgelser bekræftede senere, at han havde revet menisken i sit venstre knæ. To dage senere blev han opereret, og klubben meddelte, at han ville være ude i cirka fire måneder.