ロズベルグが1分35秒417でソチのポールポジションを獲得し、ベッテルを0.706秒上回った。ハミルトンはパワーユニットの不具合でQ3に参加できず、それ以前のタイムにより最終的に10位となった。ベッテルはタイム順では2位だったが、予選後に5グリッド降格が適用されることになった。

資料写真。2016年ブラジルGP予選Q3でメルセデスを走らせるニコ・ロズベルグ(2016年11月、サンパウロ・インテルラゴス)。
Q1ではハミルトンが1分36秒006を記録し、ロズベルグの1分36秒119をわずかに上回った。メルセデスの2台はともに順当に通過した。ベッテルが1分36秒555で3位につけ、3人は上位争いを次のセッションに持ち越した。
マノー、ザウバー、ルノーはQ1で最後のQ2進出枠を争った。ハリアント、ウェーレイン、エリクソン、ナッセ、マグヌッセン、パーマーが敗退した。ナッセとパーマーのQ1タイム差はわずか0.009秒だったが、2人とも最初のセッションで予選を終えた。
ロズベルグはQ2で1分35秒337を記録し、ハミルトンを0.483秒、ベッテルを1.286秒上回った。ハミルトンは1分35秒820で2位となり、メルセデスの2人がQ3へ進出した。ベッテルは1分36秒623で3位だった。
Q2最後の瞬間、レッドブルのクビアトが1分37秒606で10位に浮上し、トロロッソのサインツを0.046秒上回って最後のQ3進出枠を獲得した。サインツは11位で敗退した。マクラーレンのバトンは12位、アロンソは14位となり、ともに最終セッションへ進めなかった。
ロズベルグはQ3の2回目のアタックで最初の2つのセクターを更新したが、13コーナーでコースを外れ、最初のタイムを改善できなかった。それでも1分35秒417でポールポジションを確保した。
ベッテルはQ3のタイムを1分36秒259から1分36秒123へ縮めた。ギアボックス交換による5グリッド降格が決まっており、決勝は7番グリッドからスタートすることになった。ボッタスは1分36秒536でタイム順の3位を獲得し、ベッテルの降格によりロズベルグと並ぶフロントロウへ上がった。
Q3ではライコネンが4位、マッサが5位、リカルドが6位、ペレスが7位となった。クビアトとフェルスタッペンがそれぞれ8位と9位に入り、最終セッションに参加できなかったハミルトンはQ2のタイムで10位となった。
| 順位 | 車番 | ドライバー | チーム | Q1 | Q2 | Q3 | 周回数 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 6 | ニコ・ロズベルグ | メルセデス | 1:36.119 | 1:35.337 | 1:35.417 | 16 |
| 2 | 5 | セバスチャン・ベッテル | フェラーリ | 1:36.555 | 1:36.623 | 1:36.123 | 16 |
| 3 | 77 | バルテリ・ボッタス | ウィリアムズ | 1:37.746 | 1:37.140 | 1:36.536 | 17 |
| 4 | 7 | キミ・ライコネン | フェラーリ | 1:36.976 | 1:36.741 | 1:36.663 | 17 |
| 5 | 19 | フェリペ・マッサ | ウィリアムズ | 1:37.753 | 1:37.230 | 1:37.016 | 16 |
| 6 | 3 | ダニエル・リカルド | レッドブル | 1:38.091 | 1:37.569 | 1:37.125 | 22 |
| 7 | 11 | セルジオ・ペレス | フォース・インディア | 1:38.006 | 1:37.282 | 1:37.212 | 20 |
| 8 | 26 | ダニール・クビアト | レッドブル | 1:38.265 | 1:37.606 | 1:37.459 | 22 |
| 9 | 33 | マックス・フェルスタッペン | トロロッソ | 1:38.123 | 1:37.510 | 1:37.583 | 20 |
| 10 | 44 | ルイス・ハミルトン | メルセデス | 1:36.006 | 1:35.820 | — | 13 |
| 11 | 55 | カルロス・サインツ | トロロッソ | 1:37.784 | 1:37.652 | — | 14 |
| 12 | 22 | ジェンソン・バトン | マクラーレン | 1:38.332 | 1:37.701 | — | 14 |
| 13 | 27 | ニコ・ヒュルケンベルグ | フォース・インディア | 1:38.562 | 1:37.771 | — | 17 |
| 14 | 14 | フェルナンド・アロンソ | マクラーレン | 1:37.971 | 1:37.807 | — | 14 |
| 15 | 8 | ロマン・グロージャン | ハース | 1:38.383 | 1:38.055 | — | 16 |
| 16 | 21 | エステバン・グティエレス | ハース | 1:38.678 | 1:38.115 | — | 18 |
| 17 | 20 | ケビン・マグヌッセン | ルノー | 1:38.914 | — | — | 10 |
| 18 | 30 | ジョリオン・パーマー | ルノー | 1:39.009 | — | — | 9 |
| 19 | 12 | フェリペ・ナッセ | ザウバー | 1:39.018 | — | — | 10 |
| 20 | 94 | パスカル・ウェーレイン | マノー | 1:39.399 | — | — | 10 |
| 21 | 88 | リオ・ハリアント | マノー | 1:39.463 | — | — | 10 |
| 22 | 9 | マーカス・エリクソン | ザウバー | 1:39.519 | — | — | 10 |