Sezónu 2016 začal už v januári v Argentíne na pretekoch Tour de San Luis.
Na klasikách od začiatku marca útočil na víťazstvo. Prvú sa mu podarilo vyhrať v závere marca (Gent - Wevelgem). Krátko na to po skvelej jazde a suverénne vyhral 100. ročník Okolo Flámska, jednej z piatich najprestížnejších klasík na svete.
V apríli oznámil, že absolvuje dvoje pretekov v horskej cyklistike. Vtedy nepotvrdil, že by chcel v cross country štartovať aj na olympiáde. Preteky v Grazi po páde nedokončil, o pár dní na to bol v Českom pohári v Tepliciach štvrtý.
V júni pomohol na slovenskom šampionáte k titulu staršiemu bratovi Jurajovi. A oznámil, že na olympiáde v Riu bude štartovať v cross country. V cestných pretekoch nevidel svoje šance na úspech vysoké. Trať bola kopcovitá a mala viac pasovať vrchárom.
V júli na Tour de France piaty raz za sebou získal zelený dres, vyhral tri etapy a tri dni bol aj lídrom celej Tour. Bodovaciu súťaž ovládol s rekordným rozdielom 242 bodov.
V auguste oznámil, že v budúcej sezóne bude jazdiť za nemecký tím Bora-Hansgrohe. Jeho príjem sa odhaduje na 6 miliónov eur ročne.
Na olympijských hrách v Riu prežil sklamanie. Po dvoch defektoch skončil na 35. mieste, hoci po štarte bol na treťom mieste. Veril, že ak by sa vyhol defektom dokázal by sa udržať do desiatej priečky.
V septembri sa stal prvým majstrom Európy medzi profesionálmi. Vďaka ďalším víťazstvám (Eneco Tour, GP Quebec) sa mu podarilo vo svetovom rebríčku World Tour vybojovať prvé miesto.
Na šampionáte v Katare ako šiesty cyklista v histórii obhájil titul majstra sveta.