Pada 9 Agustus 2016, Carvajal memulai pertandingan Piala Super UEFA melawan Sevilla di Trondheim, dan mencetak gol 3<unk>2
pada menit ke-119 setelah upaya individu. Selama musim liga, meskipun beberapa penyakit fisik, ia masih berkontribusi dengan 23 pertandingan untuk membantu tim menjadi juara. Pada tanggal 3 Desember 2016, setelah Sergio Ramos menyamakan kedudukan di menit terakhir melawan FC Barcelona di Nou Camp, ia merayakan gol dengan memberikan penggemar lawan jari tengah, tetapi kemudian meminta maaf; setelah hampir satu bulan di sela-sela, ia kembali beraksi tepat pada waktunya untuk memulai di final Liga Champions pada tanggal 3 Juni, yang mereka menangkan untuk ketiga kalinya dalam empat tahun.