En avril 1954, Luis Suárez est transféré au FC Barcelone dont la star était Laszlo Kubala. Suárez débute avec le Barça le jour de son dix-neuvième anniversaire, le 2 mai 1954, lors des huitièmes de finale aller de Coupe d'Espagne face au Deportivo, son ancienne équipe (victoire 4 à 0 du Barça). Lors de la saison 1954-1955, il alterne entre l'équipe première et la filiale du Barça, le SA La España Industrial de Barcelone le temps de soigner un pépin physique. Suárez inscrit son premier but en Liga le 19 décembre 1954 face à la Real Sociedad. A l'été 1955 il revient définitivement dans l'équipe première.
L'éclosion de Luis Suárez comme joueur de classe mondiale coincide avec la saison 1957-1958 où est inauguré le Camp Nou, le nouveau stade du FC Barcelone. L'équipe termine cette saison à la troisième place du championnat. Les deux saisons suivantes seront excellentes pour le Barça mené désormais par Suárez et entouré de Kubala, Ramallets, Kocsis, Czibor ou Evaristo. Le Barça remporte les championnats 1958-1959 et 1959-1960 durant lesquels Suárez marque 14 et 13 buts respectivement. En 1959, le Barça remporte également la Coupe d'Espagne, la deuxième de Suárez après celle de 1957.
Au mois de décembre 1960, Luis Suárez remporte le Ballon d'or en dominant les grands noms du football européen : avec 51 points, il précède Ferenc Puskas (37), Uwe Seeler (33) Alfredo Di Stefano (32) et Lev Yachine (28). À cette époque, la revue France Football décrit ainsi Suárez : « L'autorité d'un duc, la précision d'un géomètre et la beauté d'un Apollon ». Suárez se retrouvera par la suite à trois reprises sur le podium (2e en 1961 et 1964, 3e en 1965).
Six mois plus tard, le 1er juin 1961, le lendemain de la finale de la Coupe des Champions, perdue (3-2) face à Benfica, Luis s'engage avec l'Inter Milan. Angelo Moratti a dû débourser 250 millions de lires, nouveau record pour le Calcio. Luisito quitte le Barça avec 214 matchs 112 buts en Liga à son actif.
Il marque son dernier but en