W międzyczasie odbył ogólnokrajową trasę koncertową pt. Mengoni Live 2016. Zapis audiowizualny z jednego z koncertów wydał 25 listopada 2016 na albumie pt. Marco Mengoni Live, z którym zadebiutował na pierwszym miejscu krajowej listy sprzedaży oraz uzyskał za niego status platynowej płyty. W 2017 wydał epkę pt. Onde i singiel „Come neve”, który nagrał w duecie z Giorgią. W listopadzie 2018 wydał album pt. Atlantico, który promował singlami: „Buona vita” i „Voglio”. 18 stycznia 2019 premierę miał jego pierwszy hiszpańskojęzyczny album pt. Atlantico, na którym umieścił singiel „Quiero”.
W lutym 2023 z utworem „Due vite” zwyciężył w 73. Festiwalu Piosenki Włoskiej w San Remo, a po koncercie finałowym potwierdzono, że zostanie reprezentantem Włoch podczas 67. Konkursu Piosenki Eurowizji w Liverpoolu. 13 maja wystąpił jako jedenasty w kolejności w finale konkursu i zajął w nim 4. miejsce po zdobyciu 350 punktów, w tym 174 pkt od telewidzów (6. miejsce) i 176 pkt od jurorów (3.