Après avoir commencé sa saison en Espagne fin janvier, Tim Wellens obtient sa première victoire de 2016 lors de Paris-Nice. Il en gagne la dernière étape, en battant au sprint Alberto Contador et Richie Porte. Il termine treizième du classement général. Malade, il est forfait pour Milan-San Remo. Au printemps, il dispute le Tour d'Italie, où il s'impose lors de la sixième étape. En juillet, il remporte le Tour de Pologne. Il prend la tête du classement général lors de la cinquième étape, qu'il remporte en solitaire avec près de quatre minutes d'avance. L'étape du lendemain est annulée à cause des conditions météorologiques, et il accroit son avance sur ses suivants au classement général lors de la dernière étape, un contre-la-montre dont il prend la treizième place. En août, il est l'un des cinq membres de l'équipe de Belgique lors de la course sur route des Jeux olympiques de Rio, remportée par Greg Van Avermaet. Il est également le représentant belge lors du contre-la-montre de ces Jeux, dont il prend la vingtième place. En mauvaise forme durant les semaines qui suivent, il prend la quatorzième place du Grand Prix de Québec en septembre.