Messi ra sân trận đầu tiên trong mùa giải 2019–20 vào ngày 17 tháng 9, và vào ngày 6 tháng 10, Messi ghi bàn thắng đầu tiên của mình ở mùa giải đó bằng một quả đá phạt trong chiến thắng 4–0 trên sân nhà trước Sevilla; đây là bàn thắng thứ 420 của anh tại La Liga, giúp anh phá kỷ lục ghi 419 bàn thắng của Cristiano Ronaldo ở 5 giải vô địch quốc gia hàng đầu châu Âu. Vào ngày 23 tháng 10, Messi ghi bàn thắng đầu tiên tại Champions League trong chiến thắng 2-1 trên sân khách trước Slavia Prague, trở thành cầu thủ đầu tiên ghi bàn trong 15 mùa giải Champions League liên tiếp (không tính vòng loại). Anh cũng san bằng kỷ lục ghi bàn vào lưới 33 đội khác nhau trong một năm của Raúl và Cristiano Ronaldo. Vào ngày 29 tháng 10, Messi ghi bàn và có hai lần kiến tạo trong chiến thắng 5–1 trên sân nhà trước Real Valladolid ở La Liga; bàn thắng mở tỷ số của anh – một cú sút xa 35m – là quả đá phạt thành công thứ 50 trong sự nghiệp của anh. Với tổng số bàn thắng là 608, Messi đã vượt qua tổng số 606 bàn thắng ghi được của Cristiano Ronaldo tính riêng ở cấp độ câu lạc bộ. Vào ngày 9 tháng 11, Messi ghi ba bàn (trong đó có hai quả đá phạt) trong chiến thắng 4–1 trên sân nhà trước Celta Vigo. Đây là cú hat-trick thứ 34 của anh tại La Liga, cân bằng kỷ lục của Cristiano Ronaldo. Vào ngày 27 tháng 11, trong trận đấu thứ 700 của anh cho Barcelona, Messi ghi một bàn và kiến tạo hai bàn trong chiến thắng 3-1 trên sân nhà trước Borussia Dortmund tại UEFA Champions League. Borussia Dortmund là đội bóng thứ 34 mà anh đã chọc thủng lưới trong giải đấu đó, phá vỡ kỷ lục trước đó là 33 do Cristiano Ronaldo và Raúl nắm giữ. Vào ngày 2 tháng 12, Messi đã giành được Quả bóng vàng lần thứ sáu. Vào ngày 8 tháng 12, Messi ghi hat-trick thứ 35 tại La Liga trong chiến thắng 5–2 trên sân nhà trước Mallorca.Vào ngày 22 tháng 2 năm 2020, Messi ghi bốn bàn trong chiến thắng 5–0 trên sân nhà trước Eibar tại La Liga. Vào ngày 14 tháng 6, trong chiến thắng 4–0 trước Mallorca, Messi đã ghi một bàn và có hai lần kiến tạo, trở thành cầu thủ đầu tiên ở La Liga ghi được 20 bàn thắng trở lên trong 12 mùa giải liên tiếp. Vào ngày 30 tháng 6, Messi thực hiện thành công quả phạt đền theo kiểu panenka trong trận hòa 2–2 trên sân nhà trước Atlético Madrid ở La Liga, cán mốc bàn thắng thứ 700 trong sự nghiệp của anh cho Barcelona và Argentina. Vào ngày 11 tháng 7, Messi đã có pha kiến tạo thứ 20 trong mùa giải cho Arturo Vidal lập công ở trận thắng 1–0 trên sân khách trước Real Valladolid, cân bằng kỷ lục 20 pha kiến tạo của Xavi trong mùa giải La Liga 2008–2009; với 22 bàn thắng, anh cũng trở thành cầu thủ thứ hai sau Thierry Henry trong màu áo Arsenal ở Premier League mùa giải 2002–03 (24 bàn và 20 pha kiến tạo), ghi được ít nhất 20 bàn và có 20 pha kiến tạo trong một mùa giải tại một trong năm giải vô địch quốc gia hàng đầu châu Âu. Sau cú đúp của anh trong chiến thắng 5–0 trước Alavés ở trận đấu cuối cùng mùa giải vào ngày 20 tháng 5, Messi kết thúc mùa giải khi là Vua phá lưới và Vua kiến tạo tại La Liga, với 25 bàn thắng và 21 đường kiến tạo, giúp anh giành được danh hiệu Pichichi lần thứ bảy, vượt qua Zarra; tuy nhiên, Barcelona đã để mất chức vô địch vào tay Real Madrid. Vào ngày 9 tháng 8, trong trận lượt về vòng 16 đội Champions League với Napoli tại Camp Nou, Messi ghi bàn thắng thứ hai và kiếm được một quả phạt đền dẫn đến bàn thắng thứ ba, giúp Barcelona giành chiến thắng 3–1 trên sân nhà và với tổng tỷ số 4–2, Barcelona tiến vào tứ kết gặp Bayern Munich. Vào ngày 15 tháng 8, Messi trải qua trận thua tồi tệ nhất với tư cách một cầu thủ khi Bayern Munich đánh bại Barcelona với tỷ số 8–2 tại Lisboa, một lần nữa Barca bị loại khỏi Champions League.
Messi ra sân trận đầu tiên trong mùa giải 2019–20 vào ngày 17 tháng 9, và vào ngày 6 tháng 10, Messi ghi bàn thắng đầu tiên của mình ở mùa giải đó bằng một quả đá phạt trong chiến thắng 4–0 trên sân nhà trước Sevilla; đây là bàn thắng thứ 420 của anh tại La Liga, giúp anh phá kỷ lục ghi 419 bàn thắng của Cristiano Ronaldo ở 5 giải vô địch quốc gia hàng đầu châu Âu. Vào ngày 2 tháng 12, Messi đã giành được Quả bóng vàng lần thứ sáu.