Llega a como 6° cabeza de serie sin ser un gran favorito al título pero da la sorpresa. Pasó la primera semana sin dificultades venció a Pablo Carreño (7-6, 6-2, 6-4), Andreas Seppi (7-6, 6-4, 6-2) y Jack Sock (7-6, 6-4, 7-6) sin ceder un set. En octavos de final, se enfrenta al belga David Goffin, a quien vence, sin embargo, después de haber perdido los dos primeros sets por 4-6, 3-6, 6-4, 6-4, 6-4. Como dato, en los diez partidos anteriores del mejor de cinco en los que perdió los dos primeros sets, también perdió el tercer set. En cuartos de final se enfrenta al estadounidense Sam Querrey, verdugo de Novak Djokovic en tercera ronda, venciéndolo en cuatro sets por 6-4, 7-5, 5-7, 6-4 dominando a su oponente con el servicio. En su segunda semifinal en La Catedral, se enfrenta nuevamente al No. 3 del mundo Roger Federer, el mismo que lo venció en esta misma instancia hace dos años atrás en 2014. Milos se cobra revancha en un partido impresionante, eliminando al suizo por un épico 6-3, 6-7(3), 4-6, 7-5 y 6-3 en 3 horas y 25 minutos para llegar a su primera final de Grand Slam de su carrera y dejar sin opciones a Roger de lograr un octavo título en Wimbledon. Además esta fue la primera derrota de Federer en 11 semifinales en Wimbledon. En la final se enfrentó al No. 2 del mundo Andy Murray, y al igual que en Queen's, perdió por 4-6, 6-7(3), 6-7(2) en 2 horas y 48 minutos. Unos días después de esto, decidió bajarse de los Juegos Olímpicos de Río 2016 debido al virus Zika.