In het voorjaar van 2016 wist Wellens de laatste rit van Parijs-Nice te winnen. Ook in de Ronde van Italië pikte hij een ritzege mee. Na zijn ietwat teleurstellende eerste Ronde van Frankrijk, een jaar eerder, besloot Wellens zijn zomer ditmaal anders in te delen, en in plaats van de Tour deel te nemen aan de Ronde van Polen. In deze koers wist Wellens de vijfde etappe onder slechte weersomstandigheden te winnen, waarmee hij meteen ook de leiderstrui overnam van Fernando Gaviria. Wellens wist de eerste plaats in het algemene klassement vast te houden, en won zo zijn derde rittenwedstrijd bij de profs. In augustus nam Wellens deel aan de wegwedstrijd op de Olympische Spelen in Rio de Janeiro, maar reed deze niet uit. Vier dagen later werd hij twintigste in de tijdrit.