En 2016, il remporte tout d'abord la quatrième étape du Tour d'Oman ainsi que le classement général de l'épreuve. Lauréat ensuite du contre-la-montre par équipes du Tour du Trentin, il s'aligne ensuite sur le Tour d'Italie. À l'issue de la seizième étape, il est repoussé à la quatrième place du classement général à 4 minutes 43 secondes du maillot rose néerlandais Steven Kruijswijk. Ne comprenant pas ses résultats, il déclare alors et la question d'un potentiel abandon de l'Italien se pose. Trois jours plus tard, lors de la dix-neuvième étape, il figure dans le groupe des protagonistes du classement général avec Kruijswijk et son dauphin Esteban Chaves lors de l'ascension du col Agnel. Dans la descente de celui-ci, le Néerlandais chute. Réussissant à repartir, il ne bénéficie pas du soutien de coéquipiers au contraire de ses rivaux et perd du temps sur eux. Dans la montée de Risoul, Nibali parvient à distancer ses adversaires et s'impose. Kruijswijk perd la tête de l'épreuve au profit de Chaves, Nibali passe deuxième au classement général à 44 secondes du Colombien. Le lendemain, Nibali distance Chaves lors de l'ascension du col de la Lombarde, dernier col de première catégorie du jour. Nibali prend alors la tête du "Giro" devant Chaves pour 52 secondes. Au mois d'août il signe un contrat avec la nouvelle équipe cycliste Bahrain-Merida. Sélectionné pour la course en ligne et le contre-la-montre des Jeux olympiques, il chute dans la dernière partie du parcours alors qu'il figure dans le trio de tête et se brise une clavicule. Ne pouvant être présent sur le contre-la-montre, cette blessure l'amène également à stopper sa saison. En fin d'année 2016, il est classé du classement World Tour et du Classement mondial UCI.