El veterano técnico vasco llegó a Nervión a finales de marzo de 2023, sustituyendo en el cargo al argentino Jorge Sampaoli.  En ese momento, el Sevilla FC se encontraba rozando los puestos de descenso, habiendo logrado tan sólo 28 puntos en las 26 jornadas disputadas. Tras su llegada, Mendilibar logra cambiar inmediatamente el rumbo del equipo, con cuatro victorias y un empate en sus cinco primeros encuentros de competición liguera. Con este arranque, logra ahuyentar los fantasmas de un posible descenso. Esta buena marcha se mantuvo hasta el final de la temporada, logrando también cuatro victorias consecutivas a domicilio, sin encajar gol, récord en la historia de la entidad. Su mayor logro, sin embargo, se produjo en competición europea, donde el Sevilla FC, tras eliminar brillantemente al Manchester United FC y a la Juventus FC, se proclamó campeón de la UEFA Europa League frente a la AS Roma en Budapest, obteniendo así su séptimo entorchado en la competición.

Su etapa como técnico sevillista finalizó a principios de octubre de 2023. En total, el de Zaldívar dirigió al Sevilla FC en 28 ocasiones, con un balance de 10 victorias, 11 empates y 7 derrotas.