Magnussen ajoi kaudella 2016 Renault’lla, korvaten Pastor Maldonadon, joka sai potkut sponsorinsa maksuvaikeuksien vuoksi. Magnussen onnistui saalistamaan kauden avauspisteensä Venäjältä, sijoittuen seitsemänneksi. Monacossa Magnussen keskeytti kierroksella jääneen Daniil Kvjatin törmättyä häneen ja vaurioitettua Magnussenin auton pohjaa. Belgiassa Magnussen ajoi kierroksella 6 ulos Eau Rouge -mutkassa. Ulosajon seurauksena Magnussen satutti jalkaansa ja kilpailu keskeytettiin hetkellisesti. Hän oli kuitenkin ajokunnossa jo seuraavassa kilpailussa Italiassa. Singaporen GP:ssä Magnussen ajoi kymmenenneksi saaden yhden MM-pisteen. Hän sijoittui seitsemällä pisteellä sarjapisteissä 16:nneksi.