اما هرچقدر که تیتو در زمینه بازی کردن ناموفق بود، در مربیگری نیز به همان اندازه شروعی ناامید کننده داشت و پس از قبول هدایت تیم پارافراگل با این تیم به دسته پاسسن تر سقوط کرد و پس از کار مدیر فنی در تیم تراسا، به عنوان دستیار مربی در تیم بارسلونا بی تحت هدایت گواردیولا کار خود را آغاز نمود که در دسته چهارم حضور داشت تا اینکه او و ویلانووا در تابستان 2008 پس از برعهده گرفتن هدایت تیم ذخیره ها و صعود به دسته بالاتر، هدایت تیم اصلی بارسلونا را به دست گرفتند و جایگزین فرانک رایکارد و یوهان نیکنس شدند به صورتی که اولین فصل حضور ان ها در نیوکمپ بسیار خاطره انگیز به پایان رسید چون موفق به کسب شش جام ارزشمند از جمله لیگ قهرمانان اروپا شدند.
اما پس از اینکه در 27 آوریل 2012 در کنفرانسی مطبوعاتی خروج گواردیولا از بارسلونا اعلام شد، تیتو ویلانووا هدایت این تیم را برعهده گرفت و در 15 ژوئن قراردادی دوساله را منعقد نمود و با قبول 8 شکست، به عنوان قهرمانی لیگ دست یافت.
اما در 19 دسامبر 2012 خبری شوکه آور از سوی باشگاه بارسلونا مبنی بر دچار شدن ویلانووا برای دومین بار به سرطان منتشر شد چون سرطان او در 22 نوامبر سال قبل نیز تشخیص داده شده بود. پس از ان تیتو در تاریخ 20 دسامبر تحت عمل جراخی قرار گرفت و به مدت حدود 6 هفته در شیمی درمانی و پرتو درمانی به سر برد و وظیفه هدایت بارسلونا به جوردی رورا سپرده شد تا اینکه تیتو در اواخر ماه مارس 2013 به نیمکت بارسلونا بازگشت.
درنهایت تیتو به دلیل بیماری در 19 ژوئن 2013 از هدایت بارسلونا استعفا داد تا اینکه درنهایت در 25 آوریل 2015 به دلیل عوارض ناشی از بیماری سرطان در سن 45 سالگی درگذشت تا هواداران بارسلونا را بابت افتخارهایش در بارسلونا غمناک کند.
تیتو در طول دوره مربیگری خود در بارسلونا با درنظر نگرفتن دوره دستیاری، رکورد 75.5 درصدی پیروزی را ثبت کرد تا تحقق آرزوهای دوره فوتبالی خود را در تیم محبوب زادگاهش رقم بزند.