Zur &lt;a href="Fu%C3%9Fball-Bundesliga%202016/17"&gt;Saison 2016/17&lt;/a&gt; wurde Dembélé mit einer Vertragslaufzeit bis 30. Juni 2021 von Borussia Dortmund verpflichtet. Am 27. August 2016 debütierte er beim 2:1-Heimsieg gegen den 1. FSV Mainz 05 in der Bundesliga. Sein erstes Tor erzielte Dembélé am 20. September 2016 beim 5:1-Auswärtssieg gegen den VfL Wolfsburg. Im DFB-Pokal-Halbfinalspiel gegen den FC Bayern München am 26. April 2017 erzielte er den Siegtreffer zum 3:2 für den BVB, der zum Tor des Monats April gewählt wurde. Auch beim 2:1-Sieg im Finale gegen Eintracht Frankfurt am 27. Mai 2017 traf Dembélé einmal und gewann mit seiner Mannschaft den Pokal. In seiner ersten Bundesligasaison erzielte er in 32 Spielen 6 Tore und gab 12 Torvorlagen. Daher wurde er von der Vereinigung der Vertragsfußballspieler als Newcomer der Saison geehrt und in die VDV 11 berufen.