O 17 de xaneiro de 2021, Koeman dirixiu ao Barcelona por primeira vez nunha final de copa, perdendo por 3 a 2 ante o Athletic Bilbao despois da prórroga na final da Supercopa de España 2020-21
no Estadio La Cartuja de Sevilla. O 7 de febreiro, Koeman levou ao Barcelona á súa sexta vitoria consecutiva na Liga despois de gañar por 3 a 2 contra o Real Betis, igualando a proeza de Luis Enrique na tempada 2015-16. O 11 de marzo, o Barcelona foi eliminado da Liga dos Campións na ronda de 16 contra o PSG despois de non poder reverter unha derrota de 1 a 4 na casa, perdendo 2 a 5 no total. O 10 de abril, a carreira sen derrotas de 19 partidos do Barcelona na Liga chegou ao seu fin despois de caer ante o Real Madrid 2 a 1 fóra de casa no segundo "El Clásico" da tempada. O 17 de abril, Koeman liderou o "Barça" a unha vitoria por 4 a 0 sobre o Athletic Bilbao na final da Copa del Rey de 2021, vingarse da derrota na Supercopa no mesmo recinto tres meses antes. O 29 de abril, o Barcelona tivo unha oportunidade de ouro para chegar ao cumio da Liga, pero non puido capitalizar despois de perder a Granada 2 a 1 a pesar de tomar a lideranza. O título do Barcelona rematou con decepción despois de gañar só dous dos seus últimos cinco partidos e finalmente terminou terceiro na clasificación. O 3 de xuño, o presidente do club Joan Laporta confirmou que Koeman permanecería no cargo por outra tempada.