Alla prima giornata del campionato 2016-2017 para il suo primo calcio di rigore in Serie A, neutralizzando a San Siro il tiro di Andrea Belotti del nella sfida vinta 3-2 dal Milan: è il primo giocatore minorenne, dal secondo dopoguerra, capace di parare un "penalty" nel massimo campionato italiano (prima di lui ci riuscì Armando Fiorini nel 1931). Il 23 dicembre 2016 vince il suo primo trofeo, la Supercoppa italiana, in virtù della vittoria di Doha sulla Juventus maturata ai tiri di rigore, epilogo in cui Donnarumma è decisivo respingendo il tentativo di Paulo Dybala. Termina la seconda stagione in prima squadra giocando tutte le 38 partite di campionato da titolare.