Tras fuertes rumores de su posible fichaje por el Real Madrid C. F. o el F. C. Barcelona, finalmente el club catalán se hizo con los servicios del uruguayo tras llegar a un acuerdo con el Liverpool F. C. por 81 millones de euros. Debutó en el Camp Nou como azulgrana, el 18 de agosto, en el Trofeo Joan Gamper frente el Club León saltando al campo en el minuto 75′. Su presentación ante los medios de prensa se realizó al día siguiente, tras haber sido oficial su fichaje desde hacía más de un mes.
El 28 de septiembre abrió el marcador frente al Getafe (0-2), en la séptima jornada, al aprovechar un pase de Marc-André ter Stegen y que sirvió para conseguir la primera victoria a domicilio en Liga. El 23 de diciembre logró su gol número 400 como profesional en la victoria por 0 a 3 ante el Real Madrid. 3 encuentros de preparación ante las selecciones de Alemania, Países Bajos y Estonia. Los encuentros terminarían con derrota ante Alemania, empate ante los Países Bajos (con victoria en definición a penales), partido en el cual anotaría el único gol en favor de su selección, y, el último partido de preparación para la copa, terminaría con una contundente victoria ante Estonia, aunque Luis no fue autor de ninguna anotación en el encuentro en cuestión. Victoria abultada del Celta al descanso frente al Cádiz por 4-0. Un primer tiempo en el que se puso sobre la balanza la efectividad del Celta y Cádiz, donde salieron ganando los de Chacho Coudet introduciendo dentro de la portería cada ocasión de peligro que tuvieron.
El último partido del año 2010 fue un amistoso frente a Chile, el cual terminó 2 a 0 a favor del equipo andino. Aquel amistoso acabó con victoria azulgrana por 3-2. Esta vez se enfrentarán en Las Vegas. El 22 de marzo marcó el definitivo 2-1 en la victoria culé, en El Clásico, ante Real Madrid C. F. de la 28.ª jornada de Liga. El 8 de marzo marcó el primero de los goles en la histórica remontada ante el PSG (6-1) en los octavos de final de la Liga de Campeones. El 11 de abril sería nombrado, junto con su compañero de equipo Steven Gerrard, como el jugador del mes de marzo de la Premier League, siendo la segunda vez que obtendría dicho reconocimiento durante la temporada.
El 28 de octubre logró un hat-trick ante el Real Madrid en la goleada por 5 a 1 en la décima jornada, alcanzando así la cifra de nueve tantos anotados ante el máximo rival en apenas nueve partidos y en el octavo jugador blaugrana en anotar tres tantos al equipo blanco en Liga. El 3 de febrero marcó cuatro tantos en la goleada por 7 a 0 ante el Valencia en la ida de semifinales de Copa del Rey. Su primer tanto en Copa del Rey fue frente al Elche C. F., el 8 de enero de 2015. El 24 de febrero, en el partido de ida contra el Manchester City de Liga de Campeones, Suárez marcó los dos goles del equipo (1-2), siendo este su primer doblete con el equipo catalán. Tras una serie de partidos, en los cuales aportó varias asistencias, el 25 de noviembre logró marcar su primer gol en la victoria 0-4 frente al APOEL F. C. en Liga de Campeones.
Una vez recuperado, convirtió un agónico gol en la penúltima jornada de liga contra el Club Atlético Osasuna, para darle la victoria y mantener la punta del Atlético, que había empezado perdiendo 0-1. Tras un gol de Renan Lodi en el 82’ el Atlético necesitaba otro gol para mantener el liderato, frente a un Real Madrid que estaba ganando su partido correspondiente y se convertía en líder momentáneo. El 21 de noviembre logró un doblete en la victoria por 0 a 4 ante el Real Madrid. Cuatro días después marcó el primer tanto en el minuto 85 en el triunfo por 2 a 0, ante el Atlético de Madrid, que sentenció el título de Liga. De igual forma se le han agregado ciertos detalles a la camiseta, tanto blancos como amarillos. Ayer, el control de la posesión, acrecentado con los exquisitos detalles de Luka Modric y la precisión de los balones laterales obraron la metamorfosis.
Cuatro días después marcó un doblete ante el Inter de Milán (2-1), logrando así remontar el partido y obtener la primera victoria en la fase de grupos de Liga de Campeones. En Europa, el Bayern no podría pasar de los cuartos de final de la Liga de Campeones de la UEFA 2016-17 al ser eliminado nuevamente por el Real Madrid en otra edición de «el clásico europeo», cortando así el hito de haber estado en cinco semifinales consecutivas de dicho torneo. El 17 de diciembre de 2015, jugó su primer partido del mundial de clubes contra Guangzhou Evergrande Football Club, campeón de Asia, y marcó un hat-trick, llevando al Barcelona a jugar la final contra River Plate, partido en el que marcó dos goles más, lo cual llevó al club catalán a ser campeón del Mundial de Clubes.
