Gronkowski gikk glipp av de to første kampene i -sesongen på grunn av en hamstringskade, og hadde begrenset spilletid i de neste to kampene. I kampen mot Buffalo Bills i uke 8 scoret Gronkowski sin 69. touchdown i seriespill, som også var hans 68. mottatte touchdownpasning, og slo dermed begge lagrekordene satt av Stanley Morgan. I uke 10 mot Seattle Seahawks, ble han taklet hardt i brystet av Earl Thomas, som man først trodde resulterte i en punktert lunge, men senere viste seg å være en lungekontusjon som førte til at han måtte sitte på benken i uke 11. Mot New York Jets i uke 12 skadet han ryggen i begynnelsen av andre halvdel, som resulterte i at han måtte opereres for skiveprolaps og dermed betydde slutten på sesongen for ham. Han ble offisielt plassert på injured reserve 3. desember 2016, dagen etter operasjonen. Han avsluttet sesongen med 25 mottakelser for 540 yards og tre touchdowns. Med 21,6 yards per mottakelse var han #1 blant tight ends i NFL i 2016. Gronkowski var fremdeles på injured reserve da Patriots vant Super Bowl LI den 5. februar 2017. New England slo Atlanta Falcons 34–28 i kampen, som ble Gronkowskis andre Super Bowl-seier. Til tross for at han måtte stå over åtte kamper ble han rangert som #23 på NFL Top 100 Players of 2017.