El 14 de agosto de 2017, ficha por el FC Barcelona por 40 millones de euros, y firma para las próximas 4 temporadas. Su cláusula de liberación se fijó en 120 millones de euros convirtiéndose en un jugador blaugrana. Al llegar a este club fue duramente criticado ya que, para la mayoría de aficionados, no entraba en los criterios de fichaje del club azulgrana. El 16 de septiembre de 2017 marca su primer gol con la camiseta azulgrana. Marcando el gol de la victoria contra Getafe C. F. en el Coliseum Alfonso Pérez el partido terminaria 1-2 a favor del Barcelona. Apenas 3 días después, disputó su primer partido como titular ante el SD Eibar, anotando el virtual 2-0 en un partido que acabaría 6-1 a favor de los azulgranas. En la jornada 16 de Liga, anotó su primer doblete con el Barça marcando dos goles que previamente habían sido rechazados por los palos. Aquel partido se saldó con victoria por 4-0 frente al Deportivo de la Coruña. El 23 de diciembre de 2017, disputó su primer El Clásico en el Santiago Bernabéu que acabó con un 0-3 a favor. Paulinho salió de titular y aportó ocasiones de gol al equipo, siendo suyo un remate que acabó en mano de Dani Carvajal que provocaría el penalti y posterior gol de Leo Messi. Volvería a repetir titularidad en el primer partido de Liga del 2018 en una victoria por 3-0 ante el Levante UD anotando el brasileño el último tanto en tiempo de añadido tras una asistencia de Messi..
