Fellaini had een groot aandeel in de kwalificatie voor het EK 2016. Zo scoorde hij 2 maal tegen Cyprus en 1 maal tegen Israël en Bosnië en Herzegovina. In de eerste groepswedstrijd tegen Italië stond hij in de basis. De wedstrijd werd echter met 0-2 verloren, waardoor hij in de 2 volgende groepswedstrijden uit het elftal verdween. In de 8ste finale, tegen Hongarije, mocht hij invallen. België won met 4-0. Tegen Wales in de kwartfinale viel hij eveneens in. België verloor met 3-1 en was uitgeschakeld.