Bei der PDC World Darts Championship 2016 gewann van Barneveld nach Siegen über Dirk van Duijvenbode und Stephen Bunting überraschend auch im Achtelfinale gegen die Nummer 1 der Welt, Michael van Gerwen, mit 4:3. Im Viertelfinale schlug er Michael Smith trotz eines Rückstandes von 0:3 noch mit 5:4, schied jedoch im Halbfinale gegen Adrian Lewis mit 3:6 aus. Bei den UK Open schied er in Runde 4 gegen Phil Taylor mit 3:9 aus. Beim World Cup of Darts erreichte er an der Seite von Michael van Gerwen das Finale, verlor dieses aber gegen England mit 2:3. Beim World Matchplay 2016 schied van Barneveld in Runde 1 gegen Brendan Dolan mit 7:10 aus. In der zweiten Jahreshälfte konnte „Barney“ weitere Erfolge verbuchen. Beim World Grand Prix erreichte er durch Siege über Mervyn King, Adrian Lewis und Benito van de Pas das Halbfinale, verlor dieses jedoch gegen Gary Anderson mit 1:4. Beim Grand Slam of Darts 2016 verlor er im Viertelfinale ebenfalls gegen Anderson, bei den Players Championship Finals 2016 im Viertelfinale gegen van Gerwen.