2016年2月7日，随组合登上中央电视台春节联欢晚会，表演歌曲《幸福成长》；2月22日，随组合参加湖南卫视元宵喜乐会；5月4日，登上中央电视台“五月的鲜花”筑梦青春五四青年节晚会，作为优秀青年代表参与录制并现场演唱歌曲《少年说》；5月17日，与TFBOYS组合成员（王源、易烊千玺）联合主演的青春科幻迷你剧《我是你的TFphone》上线，王俊凯饰演孤独叛逆的少年[45]；6月1日，随组合参加中央电视台六一晚会，并演唱歌曲《大梦想家》；7月11日，主演的科幻悬疑网络剧《超少年密码》在乐视视频播出，王俊凯在剧中饰演正直善良的夏常安，并献唱主题曲《未来的进击》和插曲《摩天轮的思念》；7月31日，与李易峰、赵丽颖合作出演的古装仙侠剧《青云志》开播，王俊凯在剧中饰演少年林惊羽；8月12日，王俊凯发行个人首支原创音乐单曲《树读》；9月15日，随组合参加中央电视台中秋晚会和湖南卫视中秋晚会；9月27日，其组合获得亚洲新歌榜年度最佳组合，歌曲《剩下的盛夏》获得年度推荐MV，王俊凯凭借个人翻唱版的歌曲《样（Young）》获得年度十大金曲奖；10月，获得年度90后十大影响力人物。12月，获得年度百度沸点人气尖叫榜冠军；12月16日，参演张艺谋执导的魔幻题材电影《长城》上映，王俊凯在片中饰演宋朝小皇帝；12月31日，参加湖南卫视跨年晚会，现场吉他弹唱歌曲《摩天轮的思念》；同年，王俊凯获得明星权力榜内地最受欢迎男歌手，这也是王俊凯连续三年获得该奖项。
2017年1月16日，王俊凯随组合在2016微博之夜上获得微博King，并在现场演唱歌曲《萤火》[56]；1月18日，推出个人单曲《小棉袄》[57]；1月27日，登上中央电视台春节联欢晚会，和刘涛、蒋欣等演唱开场歌曲《美丽中国年》；4月1日，其担任常驻嘉宾的偶像对抗真人秀《高能少年团》在浙江卫视播出，并献唱主题曲《骄傲的少年》；5月14日，发行个人单曲《不完美小孩》；6月30日，随组合发行歌曲《同一秒快乐》，该曲为快乐大本营20周年主题曲；7月，主演的青春励志剧《我们的少年时代》播出，王俊凯在剧中饰演表面上冷傲、内心善良的邬童，随组合还为该剧演唱片头曲《加油！AMIGO》；8月11日，出席在南京举行的TFBOYS四周年演唱会，表演《水星记》，吉他弹唱《爱什么稀罕》；9月16日，“王俊凯KarryWang工作室”宣布成立。同日，成为影片《王牌特工2：黄金圈》的中国推广大使，并为该片演唱中国地区推广曲《冷暖》；
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