Op 23 mei 2016 werd Bonucci opgenomen in de selectie voor het Europees kampioenschap 2016 in Frankrijk. Italië werd in de kwartfinale na strafschoppen uitgeschakeld door Duitsland. In de reguliere speeltijd had Bonucci de eindstand op 1–1 bepaald met een benutte strafschop na een handsbal van Jérôme Boateng; in de strafschoppenserie miste hij.