В 2016 Сайнс продовжив виступи за Toro Rosso. Починаючи з Гран-прі Іспанії, напарником Карлоса Сайнса став Данило Квят, переведений з Red Bull в Toro Rosso. Макс Ферстаппен навпаки, відправлений «на підвищення» з Toro Rosso в Red Bull. В домашньому Гран-прі Сайнс побив свій попередній рекорд найкращого фінішу в Формулі-1, зайнявши 6 місце в гонці; при цьому Макс Ферстаппен цю гонку виграв. В цілому Сайнс набрав за сезон 2016 значно більше очок за Toro Rosso, ніж Квят, і став по підсумках сезону 12-м, з 46 очками. Шості місця Сайнс зайняв, крім домашнього Гран-прі Іспанії, ще в США і Бразилії (в останньому він пропустив Макса Ферстаппена, який прорвався в підсумку на подіум).