Thompson commence la saison avec une moyenne de 17,2 points par match sur les 21 premiers matches, mais n'a pas marqué 30 points sur cette période. Cette série prend fin le où il marque son plus grand total de points de la saison avec 39 unités à 13 sur 21 au tir dans la victoire des siens 131 à 123 contre les Pacers de l'Indiana, aidant les Warriors à étendre leur période d'invincibilité avec un bilan de 23 victoires sans aucune défaite depuis le début de la saison. Ce record prend fin après 24 victoires quand les Warriors perdent chez les Bucks de Milwaukee 108 à 95 le . Lors du match suivant, le , Thompson marque 27 de ses 43 points (son nouveau record de la saison) lors du troisième quart-temps de la victoire 128 à 103 contre les Suns de Phoenix. Le , il réalise son troisième match consécutif à 30 points ou plus, terminant la rencontre avec 36 points dans la victoire des Warriors 128 à 108 contre les Trail Blazers de Portland. Le , il bat son record de la saison en marquant 45 points à 14 sur 20 au tir dans la victoire 127 à 107 contre les Mavericks de Dallas. Ce soir-là, il est nommé parmi les remplaçants de l'équipe de l'Ouest pour le NBA All-Star Game 2016, enregistrant sa deuxième sélection consécutive. En , il change d'agent, se séparant de l'agent Bill Duffy pour engager Greg Lawrence de l'agence Wasserman. Le , il participe au concours à trois points du All-Star Week-end et remporte le concours en battant son coéquipier Stephen Curry et Devin Booker en finale. Le , il marque 40 points contre les Mavericks de Dallas. Deux jours plus tard, il réalise un nouveau match avec au moins 40 points contre les 76ers de Philadelphie, marquant 40 points consécutivement pour la première fois de sa carrière. Le , Thompson marque 14 points contre les Spurs de San Antonio, aidant les Warriors à devenir la deuxième équipe de l'histoire de la NBA à remporter 70 rencontres sur une saison.