Il fait campagne contre la sortie du Royaume-Uni de l'Union européenne, les habitants de la ville de Londres, cosmopolite et centre du pouvoir politique financier et culturel, ayant majoritairement voté pour y rester. Après la publication des résultats favorables au départ de l'UE, il demande une plus grande autonomie pour Londres, où l'électorat était à près de 60 % favorable au maintien. Lors de l'élection à la direction du Parti travailliste faisant suite à ce référendum, Sadiq Khan s'oppose à la réélection de Jeremy Corbyn et apporte son soutien à Owen Smith. Jeremy Corbyn est cependant réélu.