Jabarkan 2015-2016: Nine Track Mind dari Charlie Puth

Pada awal 2015, Puth menandatangani kontrak dengan Atlantic dan rekaman sebelumnya telah dihapus dari iTunes. Pada bulan Februari 2015, Puth merilis single debutnya "Marvin Gaye", yang menampilkan vokal tamu dari Meghan Trainor. Single ini telah mendapatkan sertifikat Platinum 2× di Australia, menduduki puncak tangga lagu di Selandia Baru, Irlandia, dan Inggris, dan memuncak di nomor 21 di  Billboard  Hot 100 AS. Puth menulis, ikut memproduksi, dan ikut bernyanyi di sebuah lagu dengan Wiz Khalifa, "See You Again", penghormatan kepada almarhum Paul Walker, yang masuk dalam lagu latar Furious 7. Sementara Khalifa menulis lirik rap, sisa lagunya telah dikreditkan ke Puth. Lagu tersebut memuncak di nomor satu di chart Hot 100 selama 12 minggu berturut-turut. "See You Again" dinominasikan untuk tiga Grammy Awards: Song of the Year, Best Pop Duo/Group Performance dan Best Song Written for Visual Media. Lagu ini juga terpilih sebagai Song of the Year untuk BBC Music Awards dan dinominasikan untuk Golden Globe Award untuk Best Original Song di 73th Golden Globe Awards. Dia menghasilkan lagu "Slow Motion" untuk Trey Songz dan telah mengatur sesi dengan Jason Derulo dan Lil Wayne.

Puth membintangi video musik "Dear Future Husband" Meghan Trainor. Pada tanggal 1 Mei 2015, Puth merilis sebuah extended play berisi lima lagu, Some Type of Love. Pada bulan Juni 2015, dia merilis single promosi "Nothing but Trouble" dengan Lil Wayne, dari soundtrack untuk film dokumenter 808: The Movie. Selama tahun 2015, Puth mengerjakan beberapa album dari artis lain. Dia turut menulis dan memproduksi "Broke" dan "Pull Up" untuk album Jason Derulo Everything Is 4, ikut menulis "Bombastic" dengan Bonnie McKee dari albumnya Bonnie McKee, dan menghasilkan "Working Class Heroes (Work)" di album CeeLo Green Heart Blanche.

Pra-pemesanan untuk album debut studio Puth Nine Track Mind dimulai pada tanggal 20 Agustus 2015, bersamaan dengan single keduanya "One Call Away". Lagu tersebut memuncak di nomor 12 di Amerika Serikat, 26 di Inggris dan 4 di Australia. Pada bulan Februari 2016, lagu tersebut telah terjual 513,700 kopi di dalam negeri. Puth merilis remix untuk lagu yang berjudul "One Call Away (Coast to Coast Mix)", yang menampilkan rapper Amerika Tyga dan Ty Dolla Sign, artis rekaman country Brett Eldredge dan penyanyi Meksiko Sofia Reyes.

Album debutnya, Nine Track Mind, dirilis pada tanggal 29 Januari 2016. Album ini debut di nomor tiga di Inggris. Album ini sendiri memuncak di nomor 6 di  Billboard  200, menerima skor 37 dari 100 di Metacritic, menjadi album ke-15 terburuk yang dinilai di situs ini. Puth memulai debut konsernya, Nine Track Mind Tour, pada bulan Maret 2016.

Pada tahun 2016, Puth adalah musisi pertama yang menandatangani kontrak dengan Deutsch Music.