Vào tháng 7 năm 2019, ở tuổi 16, Musiala rời Chelsea để gia nhập câu lạc bộ Bundesliga FC Bayern München.[11][12] Vào ngày 3 tháng 6 năm 2020, Musiala có trận đấu ra mắt chuyên nghiệp, vào sân thay người cho đội Bayern Munich II giành chiến thắng 3–2 trước Preußen Münster trong giải bóng đá hạng 3 Đức.[13] Vào ngày 20 tháng 6 năm 2020, anh có trận ra mắt giải Bundesliga đấu với Freiburg và trở thành cầu thủ trẻ nhất từng đấu cho đội Bayern München ở Bundesliga, lúc đó anh được 17 tuổi 115 ngày.[14][15] Vào ngày 18 tháng 9 năm 2020, Musiala ghi bàn thắng đầu tiên ở Bundesliga trong trận chiến thắng 8–0 trước Schalke, trở thành cầu thủ ghi bàn trẻ nhất của Bayern, 17 tuổi 205 ngày, phá kỷ lục trước đó của Roque Santa Cruz, 18 tuổi 12 ngày.[7][16]

Vào ngày 3 tháng 11, Musiala có trận ra mắt trong giải Champions League cho đội Bayern München với tư cách là người thay thế cho Thomas Müller đạt chiến thắng 6–2 trên sân khách trước Red Bull Salzburg.[17] Vào ngày 1 tháng 12, anh được cho đá từ đầu lần đầu tiên giải Champions League trong trận hòa 1-1 trên sân khách trước Atlético Madrid.[18] Vào ngày 23 tháng 2 năm 2021, Musiala đá lọt lưới lần đầu tiên tại Champions League trong chiến thắng 4–1 trên sân khách trước Lazio ở trận lượt đi vòng 16 đội, trở thành cầu thủ ghi bàn trẻ nhất của giải đấu này đối với cả hai quốc tịch Anh và Đức.[19][20] Vào ngày 5 tháng 3, anh ký hợp đồng chuyên nghiệp đầu tiên với đội Bayern München kéo dài cho đến năm 2026.[21]