Participó en agosto en su primera gran ronda durante la Vuelta a España, donde fue un corredor protegido por su equipo.

Consiguió su primer top 10 en una gran vuelta con un octavo puesto, once minutos y cincuenta segundos por detrás del ganador Alberto Contador.

Su temporada terminó con un sexto puesto en la clasificación general final del Tour de Pekín.

Sufrió una caída durante la décima etapa y declaró en 2016 que había terminado este Tour con una rótula rota.

Barguil se vio afectado en la rodilla y sufrió una fractura de escafoides que requería cirugía.

Durante la Vuelta a Suiza, tomó la delantera al final de la sexta etapa, que terminó en alto en Sölden, Austria.

Barguil, así como Alexis Vuillermoz, Romain Bardet y Julian Alaphilippe constituyeron la selección francesa para la carrera en línea de los Juegos Olímpicos.

Estuvo cerca de la victoria al día siguiente, durante la novena etapa entre Nantua y Chambéry, vencida por unos milímetros por Rigoberto Urán.

[4]​ Después del Tour de Francia, Warren Barguil anunció que se uniría en la temporada 2018 al equipo bretón Fortuneo-Oscaro.

Sin embargo, continuó su temporada bajo los colores del equipo de Sunweb con el que todavía estaba bajo contrato.

Barguil iba como colíder del equipo Team Sunweb, teniendo como jefe de filas al neerlandés Wilco Kelderman.

En la etapa Kelderman tuvo un pinchazo y el director técnico ordenó a Barguil que esperase a su compañero; sin embargo, el francés hizo caso omiso y no siguió la estrategia de su equipo.

El equipo decidió entonces expulsar de la Vuelta al corredor por indisciplina y salir a la etapa octava con un hombre menos.

Abandonó durante la segunda etapa de la París-Niza, debido a una fuerte caída que le provocó un esguince cervical.

Sufrió una fractura no desplazada del hueso ilíaco y se perdió la Lieja-Bastogne-Lieja.