Rui Costa est toujours membre de l'équipe Lampre-Merida pour la saison 2016. Il se classe en mars dixième de Paris-Nice. En avril, il accumule les places d'honneur : septième du Tour du Pays basque, dixième de la Flèche wallonne et surtout troisième de Liège-Bastogne-Liège, devenant ainsi le premier Portugais à monter sur le podium de la classique belge. Toujours régulier, il est ensuite sixième du Tour de Romandie et septième du Tour de Suisse. Sur le Tour de France, il partage le statut de leader avec son nouveau coéquipier Louis Meintjes. Le Portugais se trouvant hors jeu pour le classement général dès la cinquième étape, il choisit de viser les étapes. Il ne parvient pas à gagner, mais se classe deuxième de la neuvième étape dont l'arrivée est située au sommet de la montée vers Arcalis, derrière Tom Dumoulin. En deuxième partie de saison, il participe uniquement à des courses d'un jour. Il figure dans les dix premiers des Jeux olympiques (dixième) et du championnat d'Europe (sixième). En fin d'année, il est classé du classement World Tour et du Classement mondial UCI. Il termine une saison sans victoires pour la première fois de sa carrière professionnelle.