Under Super Bowl LI i NRG Stadium i Houston, Texas søndag den 5. februar 2017 møtte Patriots Atlanta Falcons, som hadde det høyest rangerte angrepet i ligaen. Brady hadde 43 fullførte pasninger av 62 forsøk for 466 pasningsyards, og satte Super Bowl-rekorder i alle tre kategoriene. Han hadde også to touchdownpasninger og én interception, som ble returnert for en touchdown av Robert Alford i andre kvarter. Etter å ligge bak 28–3 halvveis inn i tredje kvarter scoret Brady og Patriots 25 poeng på rad, og utlignet til uavgjort ved kampslutt. Dette resulterte i ekstratid for første gang i ett Super Bowl. Patriots vant myntkastet, og Brady ledet Patriots ned banen for en touchdown og sikret seieren 34–28, som var både lagets og Super Bowls største comebackseier. Brady vant sitt femte Super Bowl, og satte med det en rekord for flest Super Bowl-seiere av en quarterback, og tangerte Charles Haleys rekord for flest Super Bowl-seiere av en spiller. Bradys fjerde Super Bowl MVP var også en ny rekord.