Borussia Dortmund punget ut €15 millioner til Rennes for å sikre seg hans underskrift. 12. mai 2016 skrev Dembélé under en femårskontrakt med varighet til 30. juli 2021. Dembélé var en sterk bidragsyter til at Dortmund vant DFB-Pokal i 2017. Med en scoring og en målgivende pasning hjalp han laget sitt snu kampen til seier 3-2 over i semifinalen. I finalen scoret han lagets første mål i 2-1 seieren over .