2015 gewann Barshim bei den Asienmeisterschaften in Wuhan mit 2,20 m nur die Bronzemedaille und verpasste bei den Weltmeisterschaften in Peking mit 2,33 m im Finale als Vierter eine Medaille. 2016 gewann er seine vierte Goldmedaille in Folge bei den Hallenmeisterschaften in Doha und belegte bei den Hallenweltmeisterschaften in Portland den vierten Platz. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann Barshim mit einer Höhe von 2,36 m die Silbermedaille hinter Derek Drouin (2,38 m). Bei den Weltmeisterschaften 2017 in London gewann er als einziger Athlet, der die Höhe von 2,35 m übersprang, die Goldmedaille. Im Jahr 2017 blieb er zudem ungeschlagen, hatte zwei 2,40-m-Sprünge und wurde zum Welt-Leichtathlet des Jahres gewählt.