Im Januar gewann Carlsen zum fünften Mal das Tata-Steel-Schachturnier. Er erzielte neun Punkte aus 13 Partien (+5 =8 −0) und hatte damit einen Punkt Vorsprung vor Fabiano Caruana und Ding Liren. Im September war Carlsen Teil der norwegischen Mannschaft bei der Schacholympiade. Er erzielte 7,5 Punkte aus zehn Partien und hatte damit einen großen Anteil am fünften Platz der norwegischen Mannschaft. Vom 11. bis 30. November 2016 spielte er um die Schachweltmeisterschaft 2016 gegen den Herausforderer Sergei Karjakin. Am 30. November 2016, seinem 26. Geburtstag, gewann Carlsen den Tie-Break mit +2 =2 −0, nachdem die zwölf regulären Partien mit einem Gleichstand (+1 =10 −1) geendet hatten.