El 16 de septiembre cayó lesionado en su primer partido como titular en Primera División, por una rotura en el tendón del bíceps femoral de su pierna izquierda, de la que fue operado, y que le tuvo más de tres meses de baja. En los primeros años del fútbol alemán, era muy común que los clubes de fútbol se fusionaran, con esto reducían los costes del club y se aseguraba la supervivencia de las entidades. Dembélé acabó su primera temporada como profesional con doce goles y cinco asistencias, despertando el interés en contratarle de otros clubes europeos. «Adiós a la Superliga europea: los clubes y la UEFA acuerdan renunciar a la competición». Pese a todo, en la primavera de 2017 la ECA anunció tras una reunión con el ejecutivo de competiciones de la UEFA que las nuevas reformas y reestructuraciones efectivas en 2018 satisfarán en medida sus peticiones llegando al acuerdo de apoyar, al menos de momento, la Liga de Campeones.
Asimismo, equipacion bayern tenían que afrontar el plano internacional en la Copa Sudamericana 2017 donde enfrentaban en la primera ronda al férreo Cerro Porteño. La eliminatoria se inició jugando en el Estadio Alejandro Serrano Aguilar, donde el conjunto ecuatoriano remontó y ganó 2-1. En Caracas la historia cambiaría por completo tras la victoria del Caracas por 4-0, logrando por primera vez el pase a cuartos de final. El FC Barcelona, en este último partido antes del parón por el Mundial de Qatar, jugará con la tercera equipación, un diseño inspirado en la Cruz de Sant Jordi y en la apuesta por la diversidad e inclusión. En el máximo torneo europeo de clubes, la Liga de Campeones, el Bayern ha disputado un total de once finales, y se sitúa segundo por clasificación histórica y puntaje en este torneo. El partido se jugó a pesar de las protestas de los entrenadores de ambos clubes, y el Liverpool finalmente perdió 1-0 ante la Juventus.
El 5 de abril anotó el tanto del triunfo 1-0 sobre el Real Valladolid, sumando 10 goles en la temporada y cuatro asistencias. El registro se situó como el mejor registro a estas alturas de cualquier jugador en la historia del torneo tras doce jornadas. El 12 de septiembre disputó su primer partido como titular en la Liga de Campeones con el club azulgrana jugando 70 minutos contra la Juventus FC. Dembélé fue titular en dos de los tres partidos de la fase de grupos, mientras que solo jugó los minutos finales de los cuartos de final ante Uruguay. En julio de 2021, circuló por Internet un video de Dembélé junto a su compañero de equipo Antoine Griezmann, en las que se le oía hacer comentarios racistas despectivos contra los técnicos asiáticos que se encontraban en su habitación de hotel. A partir de octubre perdió su sitio en el equipo en favor de Coutinho. Pero la victoria del Hércules por 0-1 frente al Real Madrid en el Santiago Bernabéu y la victoria del Valladolid frente al Sevilla por 0-2 en el Sánchez Pizjuán condenarían al equipo al descenso, a pesar de partir al inicio de la jornada con ventaja puesto que una victoria del Málaga en casa le habría asegurado matemáticamente la permanencia.
El 17 de abril anotó su segundo tanto, y su primer gol en Liga, frente al Celta de Vigo. El 27 de septiembre de 2020 reapareció en el minuto 69 de la victoria por 4-0 sobre el Villarreal C. F. en Liga, diez meses exactos después de su último partido oficial como azulgrana. Ante la incapacidad de traer a los jugadores del mismo calibre como lo habían hecho en los años 1930, el club pasó la mayor parte de los años 1950 y 1960 por lo general en la mitad de tabla en la liga, sin ganar trofeos. Cuatro días después, volvió a marcarle al conjunto andaluz en el triunfo por 3-0 en la vuelta de la semifinal de la Copa del Rey, pasando a la final. El 6 de marzo logró un triplete en el triunfo por 4 a 1 ante el Nantes en apenas 45 minutos. El 14 de marzo de 2018 marcó su primer gol con el Barcelona en el partido de vuelta de la Liga de Campeones contra el Chelsea al minuto 20, anotando el 2 – 0 parcial.