Nella stagione 2015-16 Marchisio è ormai stabilmente trasformato in un regista arretrato davanti alla difesa, formando una solida coppia di centrocampo assieme al tedesco Sami Khedira. L'annata, iniziata l'8 agosto con la conquista della terza Supercoppa nazionale della carriera, superando per 2-0 la Lazio sul campo di Shanghai, vede la Juventus, reduce da un corposo rinnovamento dei ranghi, alle prese con un avvio di campionato decisamente al di sotto delle aspettative; ciò nonostante Marchisio emerge presto tra i punti di forza della formazione bianconera che, al termine di una rimonta-record, permette al calciatore di fregiarsi del suo quinto scudetto consecutivo, cui si andrà ad aggiungere anche la seconda Coppa Italia consecutiva, vinta il 21 maggio a Roma contro un Milan superato 1-0 ai supplementari. Tuttavia il 17 aprile 2016, nel corso della sfida interna contro il Palermo (4-0), in un contrasto di gioco con il rosanero Franco Vázquez riporta la rottura del legamento crociato anteriore del ginocchio sinistro: l'infortunio lo costringe a finire sotto ai ferri e a chiudere anzitempo l'annata, peraltro conclusa (cosa insolita nella sua carriera) senza mai trovare la rete.