Nel 2016 è protagonista nell'inizio di stagione, vincendo a febbraio la Omloop Het Nieuwsblad e a marzo una tappa e la classifica finale della Tirreno-Adriatico, precedendo di un solo secondo lo slovacco campione del mondo Peter Sagan. Al Giro delle Fiandre è protagonista di una rovinosa caduta che gli procura la frattura di una clavicola: ciò gli preclude la partecipazione alle successive classiche del Nord. Torna alle gare in occasione del Tour of California, che termina al ventiseiesimo posto nella generale; al Tour de France si impone invece nella quinta tappa, da Limoges a Le Lioran, che gli consente di issarsi temporaneamente al primo posto della classifica generale ed indossare la maglia gialla per le tre tappe successive, prima di perdere la "leadership" della corsa in favore del britannico Chris Froome. Il 6 agosto seguente ottiene il successo più importante della carriera, conquistando la medaglia d'oro nella prova in linea dei Giochi olimpici di Rio de Janeiro, battendo in una volata a tre il danese Jakob Fuglsang e il polacco Rafał Majka. L'11 settembre si aggiudica anche il Grand Prix Cycliste de Montréal, classica World Tour canadese, precedendo Sagan. È infine quarto nella generale dell'Eneco Tour e decimo nella prova in linea dei Mondiali di Doha.