Setelah penampilan menjanjikan di Watford, Burnley kepincut dengan Sean Dyche. Pada Oktober 2012, Burnley merekrutnya sebagai pelatih baru. Masa jabatannya di Turf Moor terbilang awet dengan hampir bertahan selama sedekade hingga April 2022.
Musim perdananya pada 2012/2013, Dyche mengalami kesulitan karena minimnya dana transfer klub. Burnley mesti berjuang dengan pemain yang ada hingga hanya finis di posisi sebelas pada klasemen akhir Championship. Namun, Burnley menunjukkan kebangkitan pada musim selanjutnya.
Dyche memimpin Burnley bersaing dalam perebutan gelar juara Championship 2013/2014. Namun, mereka harus puas finis sebagai runner up usai kalah dari Leicester City. Meski demikian, Dyche berhasil membawa Burnley promosi ke English Premier League 2014/2015. Sayangnya, Burnley gagal kompetitif di kasta teratas sehingga kembali terdegradasi ke Championship.
Setelah turun kasta, Dyche berbenah dan langsung mengantarkan Burnley kembali promosi ke Premier League. Kali ini, Burnley naik kasta dengan status kampiun Championship 2015/2016. Di bawah kendali Dyche, Burnley mampu bertahan di Premier League selama 6 musim. Namun, performa terpuruk Burnley pada 2021/2022 membuat Dyche dipecat pada April 2022.
Secara statistik, Dyche memimpin Burnley dalam 425 pertandingan di berbagai ajang. Ia membawa Burnley meraih 152 kemenangan, 111 keimbangan, dan 159 kekalahan. Kendati masa awalnya cukup sulit, ia mampu membantu Burnley bertahan lama di Premier League.