Trong trận tứ kết UEFA Champions League 2016–17 với Bayern vào tháng 4, Ronaldo ghi cả hai bàn trong chiến thắng 2–1 trên sân khách, giúp anh làm nên lịch sử khi trở thành cầu thủ đầu tiên đạt mốc 100 bàn thắng tại giải đấu danh giá nhất cấp câu lạc bộ của UEFA. Trong trận tứ kết lượt về, Ronaldo đã lập một cú hat-trick 'hoàn hảo' và cán mốc bàn thắng thứ 100 tại Champions League, trở thành cầu thủ đầu tiên làm được điều này khi Madrid một lần nữa đánh bại Bayern với tỷ số 4–2 sau hiệp phụ. Vào ngày 2 tháng 5, Ronaldo lập một cú hat-trick khác khi Madrid đánh bại Atlético 3–0 trong trận bán kết lượt đi Champions League. Vào ngày 17 tháng 5, Ronaldo vượt qua Jimmy Greaves để trở thành cầu thủ ghi nhiều bàn thắng nhất mọi thời đại ở năm giải vô địch quốc gia hàng đầu châu Âu, với hai bàn thắng vào lưới Celta de Vigo. Anh kết thúc mùa giải với 42 bàn thắng trên mọi đấu trường khi giúp Madrid giành chức vô địch La Liga lần đầu tiên kể từ năm 2012. Trong trận chung kết Champions League, Ronaldo ghi hai bàn trong chiến thắng trước Juventus và trở thành cầu thủ ghi nhiều bàn thắng nhất trong mùa giải thứ năm liên tiếp và là thứ sáu trong sự nghiệp, với 12 bàn, đồng thời trở thành cầu thủ đầu tiên ghi bàn ở ba trận chung kết trong kỷ nguyên Champions League cũng như đạt mốc bàn thắng thứ 600 trong sự nghiệp. Madrid cũng trở thành đội bóng đầu tiên giành chiến thắng liên tiếp trong các trận chung kết ở kỷ nguyên Champions League.