Costretto a rimanere lontano dai campi per sei mesi, Marchisio torna a giocare solo all'inizio della stagione seguente, 2016-17, scendendo in campo dal 1' in occasione della vittoriosa sfida di campionato del 26 ottobre a Torino contro la Sampdoria, battuta 4-1. Il successivo 22 novembre ritrova il gol dopo oltre un anno e mezzo, realizzando dal dischetto in casa del il momentaneo pareggio nella sfida di Champions League poi vinta 3-1 dalla Juventus. Torna al gol in campionato il 17 febbraio 2017, aprendo le marcature nella vittoria interna per 4-1 sul Palermo. Il 17 maggio mette in bacheca la Coppa Italia, primo trofeo stagionale nonché terzo consecutivo per la formazione torinese, in seguito alla vittoria per 2-0 sulla Lazio nella finale di Roma; quattro giorni dopo, con il successo 3-0 allo Stadium sul , arriva anche il sesto titolo italiano di fila, che permette a Marchisio e alla Juventus d'inanellare anche il terzo "double" nazionale consecutivo, e soprattutto di battere dopo 82 anni il record della Juve del Quinquennio. Il 3 giugno a Cardiff gioca da subentrante la sua seconda finale di Champions League, che vede i bianconeri nuovamente sconfitti 1-4 dal .