Nel 2016 passa al team Marc VDS Racing, con compagno di squadra Álex Márquez. Morbidelli colleziona tre terzi posti (Olanda, Aragona, Giappone) e altrettanti piazzamenti in seconda posizione (Austria, Gran Bretagna, Australia), vedendosi sfuggire la prima vittoria nel motomondiale a Philip Island, beffato per soli 10 millesimi da Thomas Lüthi. Negli ultimi due appuntamenti stagionali, in Malesia e Comunità Valenciana, termina rispettivamente secondo e terzo. La seconda metà di stagione, che incomincia con l'Austria lo vede conquistare più punti di tutti gli altri piloti. A causa di una prima metà di stagione non altrettanto brillante però deve accontentarsi del 4º posto finale nella classifica piloti con 213 punti.