O 31 de xaneiro de 2020, o Barcelona anunciou que chegaron a un acordo co Palmeiras para a transferencia de Fernandes, que se uniría ao club catalán antes da tempada 2020/21.
A finais de setembro, despois de completar o seu préstamo co Real Valladolid. O "Barça" pagou unha taxa de 7 millóns de euros máis 3 millóns de euros en complementos, e o xogador acordou un contrato de cinco anos co club. O 24 de novembro, fixo a súa primeira e única aparición no primeiro equipo do Barcelona e tamén na UEFA Champions League cando substituiu a Pedri nos últimos 17 minutos durante a vitoria por 4 a 0 contra o Dynamo Kyiv nun partido da fase de grupos da Champions League.