Il 28 gennaio 2016 viene ingaggiato dalla Renault in sostituzione di Pastor Maldonado. La monoposto della scuderia francese si rivela poco competitiva, confinando Magnussen nella seconda metà dello schieramento. Il primo piazzamento a punti arriva nella quarta gara della stagione, il Gran Premio di Russia, nel quale il pilota danese taglia il traguardo in settima posizione dopo essere partito diciassettesimo. Nei Gran Premi successivi sia Magnussen che il compagno di squadra Palmer non riescono a portare a casa dei punti. Il pilota danese ottiene per miglior risultato due quattordicesimi posti in Europa e Austria. Nel Gran Premio del Belgio è protagonista di un brutto incidente in uscita dal Raidillon, che costringe i commissari ad esporre la bandiera rossa. Dopo 11 gare fuori dai punti Magnussen torna a marcare punti, arrivando decimo nel GP di Singapore.