Barella werd in 2006 opgenomen in de jeugdopleiding van Cagliari. Hiervoor debuteerde hij op 4 april 2015 in de Serie A, tegen Parma.[3] Hij kreeg op 31 mei 2015 zijn eerste basisplaats, tegen Udinese.[4] Cagliari verhuurde Barella in januari 2016 voor zes maanden aan Como. Na zijn terugkeer groeide hij uit tot basisspeler en kwam hij tot meer dan honderd wedstrijden in de Serie A voor de club. Barella tekende in juli 2019 bij Internazionale. Daarvoor zou hij eerst een seizoen op huurbasis gaan spelen, om daarna definitief over te stappen. Cagliari kreeg hier circa €40.000.000,- voor.