Han forbedret den norske rekorden på 400 meter hekk til 49,45 den 1. juli 2016 i Världsungdomsspelen i Gøteborg. Han vant denne øvelsen, over to sekunder foran Jonathan Carbe. I EM i friidrett i Amsterdam 7. juli 2016 forbedret han rekorden enda en gang, til 48,84, i semifinalen. I finalen løp han på 49,82 og endte på sjetteplass. I NM i friidrett på Ravnanger vant han 400 m og 400 m hekk og ble tildelt kongepokalen for andre år på rad. Dimna IL vant også 1000 meter stafett med Warholm på laget. Grunnet feil på både tidtakersystemet og backupsystemet fikk Karsten Warholm bare registrert manuell tid på 400 meter i NM, denne ble 45,8 sekunder. Selv om denne tiden er lavere enn Quincy Douglas' norske rekord fra 1999, på 46,11, teller ikke tider tatt manuelt som offisielle rekorder.