En el año 2000 y tras una destacada actuación con España en la Eurocopa de ese verano, fue fichado por el F. C. Barcelona, en un traspaso de alrededor de 16,50 millones de euros, procedente del Betis. Ya previamente el club azulgrana intentó su contratación para la temporada 1997/98, tras la marcha al Inter de Milán de Ronaldo, pero la predilección de Louis van Gaal por Sonny Anderson truncó su traspaso.
Alfonso fue una petición expresa del entonces entrenador azulgrana Serra Ferrer, que ya lo tuvo a sus órdenes en el Betis, para disputarse la titularidad con Patrick Kluivert y Dani García. Su fichaje por el Barça, coincidió con una pésima etapa deportiva del club, en la que su equipo de fútbol permaneció un lustro sin títulos. Esta circunstancia unida a sus frecuentes lesiones, impidieron que triunfase en el equipo barcelonista, . La siguiente temporada 2001/02, el club fichó a la joven promesa argentina Javier Saviola y Alfonso fue perdiendo sitio en el equipo.