Am 4. Februar 2016 verbesserte Tamberi bei seinem Sieg beim Hochsprung-Meeting in Banská Bystrica den italienischen Hallenrekord um einen Zentimeter auf 2,35 m. Der bisherige alleinige Rekordhalter Marco Fassinotti erreichte im selben Wettkampf dieselbe Höhe. Wenige Tage später steigerte Tamberi den Rekord in Hustopeče auf 2,38 m und übernahm zugleich die alleinige Führung in der Weltjahresbestenliste. Bei den Hallenweltmeisterschaften in Portland feierte er seinen ersten Titelgewinn bei internationalen Meisterschaften. Mit übersprungenen 2,36 m gewann er die Goldmedaille vor dem Briten Robert Grabarz und dem US-Amerikaner Erik Kynard (beide 2,33 m). Bei den nationalen Meisterschaften in Rieti gewann er mit 2,36 m seinen dritten italienischen Meistertitel. Auch bei den Europameisterschaften in Amsterdam setzte Tamberi sich durch. Hier reichten ihm 2,32 m zum Sieg vor Robert Grabarz und den beiden Drittplatzierten Chris Baker und Eike Onnen. Wenige Tage später verbesserte er seinen Landesrekord beim Herculis in Monaco auf 2,39 m. Allerdings zog er sich bei dem Wettkampf eine Bänderverletzung im Sprungfuß zu, die seine Teilnahme an den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro verhinderte.