Dembélé memulakan langkah awalnya dalam dunia bola sepak di Évreux dengan bersama kelab ALM Évreux sebelum menyertai Évreux FC 27 semasa beliau antara usia 12 dan 13 tahun.

Rennes

Dembélé melakukan penampilan sulungnya untuk pasukan simpanan Rennes dalam perlawanan Championnat de France Amateur pada 6 September 2014 dengan menjadi pemain gantian pada minit ke-78 permainan menggantikan Zana Allée. Beliau beraksi cemerlang dengan membantu jaringan gol Alseny Kourouma untuk menjarakkan kedudukan 2-0 ke atas musuh seteru, Guingamp. Pada 9 November, beliau telah menjaringkan gol sulung dalam kariernya dengan sekali lagi sebagai pemain gantian menentang pasukan simpanan Laval. Secara keseluruhannya, beliau menghasilkan 13 gol dalam 18 perlawanan pada musim pertamanya termasuk jaringan hatriknya ketika menewaskan Hérouville 6-1 pada 16 Mei 2015.

Pada 6 November 2015, Dembélé melakukan penampilan sulungnya untuk skuad utama Rennes pada aksi Ligue 1 menentang Angers selepas menggantikan Kamil Grosicki pada baki lima minit terakhir permainan. Pada 22 November, beliau menjaringkan gol pertamanya dalam saingan Ligue 1 semasa menentang Bordeaux yang tamat dengan keputusan seri 2-2. Pada 9 Januari 2016, Dembélé merobek gawang pasukan lawan ssekai lagi ketika mereka bangkit ketinggalan 0-2 kepada 2–2 menentang musuh daerah, Lorient di gelanggang sendiri. Pada 6 Mac, beliau mencetak jaringan hatrik pertamanya di Ligue 1 pada aksi menewaskan Nantes 4-1 di Derby Breton.

Pengarah sukan Rennes, Mikaël Silvestre membandingkan Dembélé dengan Cristiano Ronaldo semasa beliau tiba di kelab Manchester United ketika Cristiano masih muda.

Borussia Dortmund

Pada 12 Mei 2016, Dembélé telah menandatangani kontrak selama lima tahun bersama kelab Jerman Borussia Dortmund yang berkuatkuasa pada 1 Julai.[3] Pada 14 Ogos 2016, beliau melakukan penampilan sulungnya dalam perlawanan DFL-Supercup menentang Bayern Munich yang menyaksikan pasukannya tewas 0-2. Beliau menjaringkan gol pertamanya untuk die Borussen pada 20 September 2016 dalam pertembungan Bundesliga menentang VfL Wolfsburg yang berkesudahan Dortmund menang 5–1 pada perlawanan yang berlangsung di Volkswagen Arena. Pada 22 November 2016, beliau menjaringkan gol pertamanya di kejohanan Liga Juara-Juara Eropah semasa membelasah Legia Warsaw 8–4 pada pertemuan peringkat kumpulan.

Pada 26 April 2017, Dembélé membantu jaringan gol Aubameyang sebelum menjaringkan gol kemenangan pada minit ke-74 sekali gus membantu Dortmund menundukkan Bayern pada perlawanan separuh akhir DFB-Pokal lalu melangkah mara ke final. Pada perlawanan akhir iaitu pada 27 Mei, beliau menjaringkan gol pertama Dortmund sebelum pasukannya meraih kemenagnan 2-1 ke atas Eintracht Frankfurt. Kejayaan ini merupakan gelaran sulung Dortmund dalam tempoh lima tahun. Dembélé seterusnya dinobatkan sebagai "Pemain Terbaik Perlawanan". Pada penghujung musim, Dembélé telah disenaraikan ke dalam "Pasukan Pilihan Bundesliga" dan dianugerahkan Pendatang Baru Terbaik Liga.

Barcelona

Pada 25 Ogos 2017, kelab La Liga iaitu Barcelona telah mengumumkan bahawa pihak kelab telah mencapai persetujuan untuk menandatangani Dembélé dengan nilai 105 juta euro bersama bonus yang dilaporkan sebanyak 40 juta euro. Pada 28 Ogos, beliau menjalani ujian kesihatan sebelum menandatangani kontrak selama lima tahun bersama klausa pelepasannya yang ditetapkan sebanyak 400 juta euro. Barcelona pada kala itu baru menjual Neymar ke Paris Saint-Germain yang bernilai 222 juta euro. Jadi, perpindahan Dembélé menjadi perpindahan pemain kedua termahal (dalam mata wang euro) bersama dengan Paul Pogba. Rennes dilaporkan memperoleh 20 juta euro dari Borussia Dortmund hasil penjualan Dembélé dan Évreux 27 juga termasuk sebahagian daripada bayaran itu. Beliau diberi jersi bernombor 11 yang sebelum ini dipakai oleh Neymar.

Dembélé melakukan penampilan sulungnya pada 9 September sebagai pemain gantian kepada Gerard Deulofeu pada minit ke-69 permainan dalam aksi Derbi barceloní menewaskan Espanyol 5-0 di Camp Nou selain beliau turut menyumbang kepada jaringan gol Luis Suárez. Dalam aksi sulungnya di La Liga pada lapan hari kemudian, beliau mengalami kecederaan hamstring sewaktu menentang Getafe sekali gus terpaksa berehat selama empat bulan. Beliau disahkan oleh perubatan bahawa telah berjaya pulih pada 2 Januari 2018[4] tetapi beberapa minggu kemudian, beliau sekali lagi mengalami kecederaan dalam perlawanan menentang Real Sociedad. Kecederaan itu telah memaksanya untuk berehat selama empat minggu.

Pada 14 Mac 2018, Dembélé menjaringkan gol pertamanya untuk Barcelona dengan menjaringkan gol kedua pasukannya pada perlawanan kedua pusingan 16 terbaik Liga Juara-Juara menentang Chelsea yang berakhir dengan keputusan 3-0. Pada 17 April, beliau menjaringkan gol pertamanya di La Liga dengan menyumbat gol pembukaan pada aksi yang berkesudahan terikat seri 2-2 menentang Celta Vigo. Pada 9 Mei, Dembélé menghasilkan dua gol bagi membantu Barcelona meraih kemenangan 5-1 ke atas Villarreal. Dembélé merangkul kejuaraan Copa del Rey dan La Liga pada musim pertamanya di Sepanyol selain pemain yang berusia 20 tahun itu telah mencatatkan empat jaringan dalam 24 penampilannya pada semua kejohanan.

Pada 12 Ogos 2018, Dembélé menjaringkan gol kemenangan ketika menentang Sevilla pada kejohanan Piala Super Sepanyol sekali gus membantu Barcelona untuk merangkul gelaran Supercopa de España buat kali ke-13. Beliau membuka rekod jaringannya di La Liga dengan menjaringkan gol tunggal permainan semasa menentang Real Valladolid pada 25 Ogos di gelanggang lawan. Pada seminggu kemudian iaitu pada 2 September, Dembélé menjaringkan gol pertamanya di Camp Nou pada musim ini dalam perlawanan membelasah pendatang baru liga, Huesca 8–2. Dembélé sekali lagi berada di senarai penjaring pada perlawanan berikutnya iaitu pada 15 September dengan menjaringkan gol kemenangan ke atas Real Sociedad. Pada 18 September, Dembélé menjaringkan gol pertamanya dalam kejohanan Liga Juara-Juara musim ini bagi membantu Barcelona menumbangkan PSV Eindhoven 4–0 di Camp Nou. Sebagai pemain gantian pada pertembungan menentang Real Madrid pada 28 Oktober, Dembélé membantu jaringan terakhir permainan oleh Arturo Vidal untuk meraih kemenangan 5–1 pada aksi El Clásico di laman sendiri. Pada seminggu kemudian, beliau sekali lagi muncul sebagai pemain gantian dan menginspirasikan kemenangan Barcelona daripada ketinggalan ke atas Rayo Vallecano selepas beliau menjaringkan gol penyamaan 2-2 melalui sepakan separuh voli pada minit ke-87.

Pada 11 Oktober, beliau menjaringkan jaringan gol secara solo yang memukau ketika menentang Tottenham. Beliau berjaya melepasi ramai pertahanan lawan sebelum menyudahkan jaringan dengan menggunakan kaki kiri melepasi Hugo Lloris. Beliau memenangi anugerah "Jaringan Terbaik Mingguan Liga Juara-Juara". Selepas perlawanan itu, pengurus Barça Ernesto Valverde memuji pemain muda itu.

Beliau menjaringkan dua gol untuk Barcelona pada 17 Januari dalam aksi menentang Levante. Dembélé menjaringkan gol pada minit ke-31 dan ke-32 sebelum Barcelona meraih kemenangan 3-0 hasil jaringan Lionel Messi pada perlawanan Copa del Rey itu. Dembélé menjaringkan gol ketiganya di Liga Juara-Juara pada 13 Mac semasa menewaskan Lyon 5-1 di Camp Nou.

Dembélé mengalami kecederaan hamstring pada kaki kirinya semasa perlawanan pembukaan La Liga musim 2019-20 menentang Athletic Bilbao. Beliau dijangka akan berehat selama lima minggu. Pada Februari 2020, hamstring beliau telah koyak dengan teruk. Selepas menjalani pembedahan, beliau akan kembali selepas enam bulan sekali gus terlepas aksi kejohanan UEFA Euro 2020.