वर्ष 2000-01 में बरबातोव की 11 मैचों में नौ गोल की उपलब्धि, बेयर लीवरकुसेन को जनवरी 2001 में उन्हें अनुबंधित करने के लिए प्रेरित करने के लिए पर्याप्त थी। अपने क्लब के लिए पहले 67 मैचों में मात्र 16 गोल के साथ बरबातोव ने लीवरकुसेन के साथ अपने करियर की धीमी शुरुआत की। लेकिन उन्होंने क्लब के साथ अपने पहले पूर्ण सीजन के दौरान शानदार कौशल दिखाते हुए एक यादगार एकल प्रयास से ल्योन के विरुद्ध गोल करके तथा लिवरपूल के खिलाफ क्वार्टर फाइनल में गोल करके चैम्पियन्स लीग में निर्णायक भूमिका निभाई. उन्होंने रियल मैड्रिड के खिलाफ फाइनल में भी 38 मिनट के बाद थॉमस बर्डेरिक के सब्स्टीटयूट के रूप में आकर अहम भूमिका निभाई.

2001-02 में लीवरकुसेन Fußball-Bundesliga और DFB-Pokal में उपविजेता रहा। सितंबर 2002 में अपने भावी क्लब मैनचेस्टर यूनाइटेड के खिलाफ बरबातोव ने एक अच्छा गोल किया और 2002-03 के बुन्देस्लिगा सत्र के दौरान बेयर लीवरकुसेन में पहली पसंद वाले फॉरवर्ड के रूप में अपना स्थान पक्का कर लिया। हालांकि, 2003-04 के सीजन में 24 मैचों में 16 गोल करके उन्होंने अपनी प्रतिभा का सुंदर प्रदर्शन किया। अगले दो सीजनों में 2004-05 की चैंपियंस लीग में किये 5 गोल सहित कुल 46 गोल करके वे और अधिक सफल हुए. इससे उनकी प्रतिभा के प्रति लोगों की जागरुकता बढ़ी तथा यूरोप भर की टीमों में अपने प्रति रुचि पैदा करने में वे सफल हुए.

2007-08 सीज़न
2008-09 सीज़न
सीएसकेए सोफिया
बायर लीवरकुसेन