Viene convocato per l'europeo 2016 in Francia. Nel corso della competizione parte dalla panchina in tutte le cinque gare disputate dal Belgio, fatta eccezione per il match contro l'Ungheria valido per gli ottavi di finale, di cui Mertens gioca i primi 70 minuti. Conclude l'esperienza con zero reti segnate, con la nazionale belga che esce dal torneo ai quarti di finale contro il Galles. Si aggiudica "sportivo dell'anno" 2016 in Belgio, vincendo così la concorrenza di Hazard e compagni.