En video offentliggjort af spanske medier synes at vise en hjemmeholdstilhænger, der kalder den brasilianske fløjspiller for en "abe", mens en genstand, der ligner en bananskræl, også synes at blive kastet fra et andet sted.
"FC Barcelona vil altid forsvare fodboldens og sportens værdier såsom respekt for modstanderen, og vi vil undersøge enhver racistisk fornærmelse, der kan have fundet sted i eftermiddag under kampen mod Real Madrid," sagde den catalanske klub på X, tidligere Twitter.
Vinicius, der blev hånet af fansene på Barcelonas midlertidige olympiske stadion under hele kampen, gjorde dem især vrede, da han blev skiftet ud sent i kampen, efter at Jude Bellingham havde scoret sit andet mål i overtiden og dermed sikret Madrid sejren.
Den 23-årige gik langsomt ud og vendte sig mod tribunen for at fejre det med knyttede næver, mens Madrids træner Carlo Ancelotti trak ham væk fra banen ved armen.
"Han gik meget roligt, jeg sagde til ham, at han skulle gå lidt hurtigere. Jeg hjalp ham ," sagde den italienske træner.
Vinicius udvekslede også ord med Xavi under kampen på grund af en tackling fra Barcelonas forsvarsspiller Ronald Araujo.
"Jeg har stor respekt for Vinicius, men jeg fortalte ham, at det ikke var en forseelse," sagde Xavi.
Vinicius blev også udsat for racistiske tilråb sidste lørdag i Madrids uafgjorte kamp mod Sevilla, hvor en fan blev smidt ud.
Fløjspilleren fremhævede en anden video af et barn, der ser ud til at lave en racistisk gestus mod ham i den samme kamp.
"Undskyld, at jeg gentager mig selv, men dette er isoleret episode nummer 19, og den fortsætter," sagde Vinicius i en erklæring sidste weekend.
Han har været offer for racistiske tilråb ved flere andre lejligheder i løbet af sin tid i Spanien, men ofte har loven ikke grebet ind.
Vinicius vidnede for en spansk domstol den 5. oktober via videokonference som en del af en undersøgelse af påståede overgreb, han blev udsat for i Valencia i maj.
Fløjspilleren stoppede kampen på Mestalla Stadium for at konfrontere en fan, som han mente overfaldt ham verbalt, og Vinicius modtog global støtte for sine handlinger.