Viene convocato anche per la seguente edizione, dove va subito a segno nella vittoria per 3-1 sulla realizzando l'ultimo gol della gara a pochi minuti dal termine, e regalando alla sua nazionale la prima vittoria alla terza partecipazione. Viene poi duramente criticato per l’esultanza e le parole nei confronti del difensore avversario Ezgjan Alioski di etnia albanese e accusato quindi di razzismo, che gli costa una giornata di squalifica all’Europeo, torna titolare nella partita successiva contro l'. In questa edizione l'Austria riesce per la prima volta nella sua storia a qualificarsi per la fase ad eliminazione diretta. Nella sfida degli ottavi di finale persa per 2-1 contro i futuri campioni d'Europa dell', che comporterà alla "Das Team" l'eliminazione dalla competizione, Arnautović parte titolare e disputa i tempi regolamentari e sette minuti del primo tempo supplementare; al 66' minuto segna un gol di testa, che però viene annullato per fuorigioco attraverso l'ausilio del VAR.