2016-17 sezonunda Zinedine Zidane, Asensio'nun hazır olduğunu düşünerek takımda tuttu ve sezonun ilk maçı olan ve 9 Ağustos 2016'da oynanan UEFA Süper Kupa finalinde FC Sevilla karşısında ilk 11'de sahaya sürdü. Sol kanatta oynayan futbolcu, 21. dakikada uzun mesafeden attığı şutla golü bulup, maçı 1-0'a getirdi. Bu gol de kendisinin Madrid için attığı ilk gol oldu. 120 dakika sahada kalan futbolcu, Madrid'in uzatmalarda Sevilla'yı yenmesi ile kulüp seviyesinde ilk kupasını da kaldırdı. 21 Ağustos 2016'da Real Sociedad ile oynanan La Liga ilk hafta maçında da ilk 11'de sahaya çıkan futbolcu, 40. dakikada ağları havalandırmayı başardı. Asensio, UEFA Şampiyonlar Ligi ve Copa del Rey'de oynadığı ilk maçlarda da golle buluşmayı başardı. Ligde oynadığı 23 maçta 3 gol atan futbolcu, sezon sonunda La Liga şampiyonluğu yaşadı. UEFA Şampiyonlar Ligi'nde ise 8 maçta 3 gol kaydetti. Bu gollerden birini 3 Haziran 2017'de Juventus ile oynanan Şampiyonlar Ligi finalinde attı. 89. dakikada Toni Kroos'un yerine oyuna alınan futbolcu, 90. dakikada 4-1 biten maçın sonucunu belirleyen golü kaydetti. Maçın sonunda Madrid ile Avrupa Şampiyonluğu yaşadı. Asensio, ayrıca 2016 FIFA Kulüpler Dünya Kupası kadrosuna dahil edildi. Madrid'in kazandığı bu turnuvada ise forma şansı bulamadı.