El 9 de mayo de 2011, un diario deportivo español aseguró que el FC Barcelona tenía en su agenda fichar a Alexis. La noticia no tardó en llegar a oídos de varios medios tanto europeos como chilenos. Una vez iniciada la temporada de negociaciones, ya se hablaba de un inminente traspaso de Sánchez al club catalán.
Durante las conversaciones, Udinese recibió varias ofertas por el jugador (clubes como Manchester United y Manchester City), pero Sánchez rechazó estas ofertas, puesto que sus pretensiones eran exclusivamente ir a FC Barcelona. De lo contrario, se quedaría en el mismo club.
Finalmente, el jueves 21 de julio, en el sitio web oficial del FC Barcelona, se confirmó el fichaje de Alexis por el conjunto azulgrana por más de 37 millones de euros (€11 millones en variables) y firma por 5 temporadas. Se trata del primer fichaje del Barça para la temporada 2011-12 y el primer futbolista chileno que luce la camiseta del club catalán. Alexis llegó con el aval de Pep Guardiola, técnico del Barcelona.
Debutó oficialmente el 14 de agosto frente al Real Madrid por la Supercopa de España jugando bastante bien, cooperando en la jugada que terminaría en el 2-1 de Lionel Messi. Finalmente el partido terminó a 2-2. Aunque en el partido de vuelta no jugó ningún minuto por una lesión muscular, su equipo logró ganarle al Real Madrid por 3-2 obteniendo su primer título con el club.
Una semana después ganó su segundo título oficial con el Barcelona, la Supercopa de Europa, luego de ganar por 2-0 al FC Porto en el principado de Mónaco. Sánchez ingresó en el minuto 61 reemplazando a David Villa. En la liga debutó el 29 de agosto de 2011 en un partido entre su equipo y el Villarreal CF, anotando uno de los goles de su equipo en la victoria 5-0.
El 10 de septiembre de 2011, mientras el Barcelona jugaba un partido de la la liga contra la Real Sociedad, Sánchez debió abandonar la cancha tras recibir un golpe de un jugador contrario.
El 1 de noviembre de 2011 volvió a jugar por el FC Barcelona, ingresando en el minuto 73 en la victoria de su equipo por 4-0 ante el FC Viktoria Plzeň, encuentro válido por la UEFA Champions League
Selección Nacional
Fue convocado por Jorge Aravena a la Selección Nacional Sub-16 que disputó el Sudamericano de Paraguay, en que Chile alcanzaría los cuartos de final. Posteriormente, participó por la Selección Sub-17 en el Campeonato Sudamericano de Maracaibo, jugando el primer partido contra Colombia el cual su selección ganaría 1-0 con gol de Cristián Abarca
.En el Mundial de la FIFA Sub-20 2007 de Canadá pese a no disputar el primer encuentro donde Chile derrotaría por 3 a 0 al local Canadá,reapareció en el segundo, donde Chile ganaría por 3 a 0 sobre la República del Congo. Sánchez anotó el primer gol y tuvo una participación activa en los otros dos goles. En el encuentro efectuado frente a Austria, el técnico José Sulantay optó por mantenerlo en la banca, debido a una tarjeta amarilla obtenida en partido anterior. Por ello, no tuvo participación en el partido que terminaría en un 0 a 0 entre ambas selecciones, dejando a Chile como primero en el grupo y clasificándolo a Octavos de Final.
En la ronda de los 16 mejores, la escuadra nacional derrotó a Portugal 1 a 0 con gol de Arturo Vidal. Durante este partido, Alexis terminó con una luxación del hombro derecho, y fue reemplazado por Gerardo Cortés, promediando la segunda etapa. A pesar de la lesión, Sánchez siempre fue un agente de peligro para los defensas portugueses, lo demuestran los tres tiros atajados con dificultad por Rui Patricio (el guardameta portugués), así como varias habilitaciones a Currimilla, Medina e Isla.
Sánchez reaparecería en el partido ante Nigeria por los cuartos de final del torneo. Sin embargo, las molestias lumbares que acarreaba desde el partido contra Congo, así como la lesión sufrida ante los portugueses, lo harían dejar el partido en el entretiempo. Chile ganaría el encuentro en el alargue, por 4 goles a 0: Jaime Grondona a los 96', Mauricio Isla a los 114' (penal) y a los 118', y Mathías Vidangossy a los 122'. Con ello, Chile accedió a las semi-finales del Campeonato Sub-20. Finalmente, Chile perdería contra Argentina en semi-finales, por 3 goles a 0, obteniendo posteriormente (en otro cotejo) el tercer lugar de la competición.
Selección adulta
En la Selección Adulta debutó en un partido amistoso entre la Selección Chilena y el Club Universidad Católica. Luego jugó ante Nueva Zelanda en un amistoso, y además en los tres partidos de la gira a Europa de 2006: Irlanda en Dublín, Costa de Marfil en Vittel (Francia) y Suecia en Estocolmo, en este último partido sorprendió al practicar un regate, o mareo con "rabona", o gambeta, incluida, que según la Agencia EFE "le quebró la cintura al lateral Mikael Nilsson". Su remate posterior se fue apenas desviado, y el delantero aseguró: "siempre me gusta jugar así, hacer cosas inesperadas. Me emociona hacer cosas que a la gente le guste. Si anotaba tras la jugada que hice, hubiera celebrado con todo".
Más tarde, en las Eliminatorias al Mundial de Sudáfrica 2010, Alexis se transformó en una de las grandes figuras del equipo. Fue la figura en la victoria 3-1 sobre Perú, el 29 de marzo de 2009, anotando el primer gol y participando en los otros dos goles; y el 10 de junio, donde marcó dos goles en la victoria por 4-0 de Chile sobre Bolivia, consolidándose como el mejor jugador de la Selección Chilena en las eliminatorias. Además, Sánchez fue determinante en el primer gol a Brasil, en la derrota por 4 goles a 2.
Tres años más tarde, Aléxis Sánchez participaría activamente en el rendimiento de la Selección Chilena en la Copa Mundial de Fútbol de 2010, destacando por sobre todo en la creación de jugadas ofensivas.
Al año siguiente, en julio de 2011, participó en la Copa América celebrada en Argentina, jugando en los cuatro partidos disputados por la Selección Chilena. En el torneo anotó un gol en el partido contra Uruguay, donde Chile empató 1 a 1. La Selección llegó a cuartos de final tras ser derrotada por el cuadro de Venezuela. Sánchez fue elegido en dos ocasiones "Mejor Jugador del Partido", en los encuentros disputados ante México y Uruguay.
