Viết tiếp cho đoạn này - Real Madrid đã lọt vào trận chung kết UEFA Champions League 2016, nơi họ đối đầu với Atlético Madrid. Ramos một lần nữa ghi bàn trong trận chung kết, đưa Real dẫn đầu trong hiệp một. Vào thời điểm đó, anh chỉ là cầu thủ thứ năm ghi bàn trong hai trận chung kết Champions League khác nhau sau Raúl, Samuel Eto'o, Lionel Messi và Cristiano Ronaldo. Sau một trận hòa ở hiệp hai từ Atlético, anh sau đó đã ghi một quả phạt đền trong trận đấu mà kết quả là Real Madrid giành chiến thắng 5 × 3; do đó, anh đã nâng cúp UEFA Champions League đầu tiên của mình với tư cách là đội trưởng. Theo tác giả Michael Cox, anh cũng đáng chú ý "đặt cân bằng của trò chơi về phía Real Madrid" bằng cách làm Yannick Carrasco vấp ngã và dừng bộ đếm ba trên một trong thời gian dừng, với 30 giây còn lại và điểm số 1<unk>1. Anh được UEFA vinh danh là người chơi xuất sắc nhất trận đấu sau trận đấu. Bằng cách giành chiến thắng trong trận chung kết, Real Madrid đã giành được quyền thi đấu với những người chiến thắng của UEFA Europa League 2015-16, Sevilla, trong UEFA Super Cup 2016
. Ramos kết thúc mùa giải 2015/16 với ba bàn thắng trong 33 trận, đó là số bàn thắng thấp nhất của anh và là số trận đấu ít nhất anh chơi trong bất kỳ mùa nào tại Real Madrid cho đến thời điểm đó, do chấn thương liên tục.