Membutuhkan kemenangan untuk merebut kembali pimpinan klasemen dari Real Madrid, sang juara bertahan menderita kekalahan terburuk mereka melawan Sevilla sejak kekalahan 4-0 pada tahun 1951.
Robert Lewandowski gagal mengeksekusi penalti di babak kedua untuk Barcelona setelah Marcus Rashford mencetak gol voli kaki kiri di masa injury time babak pertama, memberi mereka harapan untuk membalikkan defisit dua gol.
Tim asuhan Hansi Flick berada di posisi kedua untuk waktu yang lama dan pantas menerima kekalahan liga pertama mereka musim ini melawan tim yang belum pernah mengalahkan mereka di kasta tertinggi Spanyol selama lebih dari satu dekade.
Mantan pemain sayap Barcelona, Alexis Sanchez, membuka skor dari titik penalti setelah kapten tim tamu Ronald Araujo menjatuhkan Isaac Romero di garis gawang.
Romero sendiri mencetak gol kedua dari serangan balik yang tajam sebelum Rashford membalas melalui umpan silang Pedri ke tiang belakang.
Namun, pertahanan tuan rumah yang solid berhasil menahan Barca hingga Lewandowski melepaskan tendangan penalti yang melebar setelah mantan pemain sayap Manchester United, Adnan Januzaj, melanggar Alejandro Balde.
Dan ketika Jose Angel Carmona dan Akor Adams mencetak gol di menit-menit akhir, hal itu memperparah sore yang buruk bagi Barcelona, yang datang ke pertandingan ini setelah kekalahan di Liga Champions tengah pekan dari juara bertahan Paris St-Germain.
Barca masih terpaut dua poin dari Real Madrid, sementara Sevilla berada di urutan kelima tetapi bisa disalip oleh Atletico Madrid jika mereka mengalahkan Celta Vigo di laga terakhir hari Minggu.