Al igual que su club, la temporada que tuvo el atacante colombiano Luis Díaz no fue la que se esperaba. Porto en calidad de defensor del título de la Primeira Liga no pudo y apenas salió segundo en la tabla. Los Dragones Azules en este periodo además de confirmarse en la próxima UEFA Champions League solo lograron conquistar la Supercopa de Portugal. El año de ‘Lucho’ estuvo marcado además marcado por alguna pequeña molestia muscular y el contagio por coronavirus.
La temporada había iniciado muy esperanzadora por lo que mostraba Díaz en los primeros partidos, hizo goles clave que pusieron a soñar a los aficionados del Porto, pero sin duda la anotación que se robó la atención del mundo del fútbol fue con la que abrió el marcador en el juego de Champions ante el Manchester City. Contra los de Pep en el Etihad recibió en el mediocampo un pase de su compatriota Matheus Uribe, arrancó sobre la banda izquierda y luego con perfecto dominio de la pelota fue haciendo una diagonal, dejando rivales en velocidad, encarando y luego anotando tras un poderoso derechazo que dejó sin posibilidades a Ederson.
Ante el Olympique de Marsella volvería a anotar en Champions y en total por esta competición logró disputar nueve encuentros, cuatro de ellos como inicialista.
En la Primeira Liga tuvo la oportunidad de disputar 30 partidos, partiendo desde la formación inicial en 14 juegos. Anotó seis goles en los partidos contra Boavista, Santa Clara, Vitoria Guimaraes, Rio Ave x2 y Farense.
Por la Copa de la Liga de Portugal Díaz apenas jugó el partido de cuartos de final ante Paços Ferreira al que le anotó el segundo del Porto que finalmente venció por 2-1. Debido al contagio por Covid-19 se perdió el juego de semifinales ante Sporting Lisboa. La Copa de Portugal solo trajo un gol y una asistencia de en seis partidos que disputó, pudo celebrar ante Nacional en los octavos de final. En el certamen terminó su participación en semifinales cuando los eliminó el Sporting Braga.
En el título de la Supercopa de Portugal entró sobre el final y fue quien selló el triunfo 2-0 con un gol sobre el Benfica.
En total en la temporada jugó 47 partidos, disputó 2.602 minutos, anotó 11 goles y dio seis asistencias. En el periodo 2019-20 había disputado 50 encuentros, jugado durante 2.972 minutos, anotado 14 tantos y dando siete asistencias.