El 17 de gener de 2021, Koeman va dirigir el Barcelona per primera vegada en una final de copa, amb el seu equip perdent 3<unk>2 contra l'Athletic Bilbao després de la pròrroga en la final de la Supercopa d'Espanya 2020<unk>21
a l'Estadi La Cartuja de Sevilla. El 7 de febrer, Koeman va conduir el Barcelona a la seva sisena victòria consecutiva fora de casa a la Lliga després de guanyar 3 a 2 contra el Real Betis, igualant l'obra de Luis Enrique aconseguida en la temporada 2015-16. L'11 de març, el Barcelona va ser eliminat de la Lliga de Campions a la ronda de 16 contra el PSG després de no poder revertir una derrota de 1 a 4 a casa, perdent 2 a 5 en total. El 10 d'abril, la carrera sense derrotar de 19 partits del Barcelona a la Lliga va arribar al final després de caure davant el Real Madrid 2 a 1 fora de casa en el segon "El Clásico" de la temporada. El 17 d'abril, Koeman va conduir el "Barça" a una victòria de 4 a 0 sobre l'Athletic Bilbao a la final de la Copa del Rei de 2021, venjant-se per la derrota de la Supercopa al mateix lloc tres mesos abans. El 29 d'abril, el Barcelona es va presentar amb una oportunitat d'or per arribar a la cima de la Lliga, però no va poder capitalizar després de perdre a Granada 2 a 1 malgrat prendre el lideratge. La càrrega del títol de Barcelona va acabar amb una decepció després de guanyar només dos dels seus últims cinc partits i finalment va acabar tercer a la taula de la lliga. El 3 de juny, el president del club, Joan Laporta, va confirmar que Koeman quedaria al capdavant per una altra temporada.