2016 wechselte Magnussen innerhalb der Formel 1 zum Renault Sport F1 Team, das aus Lotus hervorgegangen war. Er ersetzte dort Pastor Maldonado und wurde Teamkollege von Jolyon Palmer. Beim Großen Preis von Russland erzielte er als Siebter die ersten Punkte für Renault nach deren Rückkehr in die Formel 1. Es war zugleich das beste Saisonergebnis für Renault. Beim Großen Preis von Belgien hatte er in der sechsten Runde Ausgangs der Raidillon einen schweren Unfall und kam mit einer Schnittwunde am linken Knöchel sowie einer Prellung zur Untersuchung nach Verviers ins Krankenhaus. Er beendete die Saison auf dem 16. Gesamtrang und setzte sich intern mit sieben zu einem Punkt gegen Palmer durch.