Dusan Vlahovic e Paulo Dybala giocheranno solo poche partite ancora insieme ma, fin dall'arrivo del centravanti serbo, hanno dimostrato di essere molto legati e di aver stretto una profonda e sincera amicizia. 

Nel giugno 2015 diviene un calciatore della Juventus, per la cifra di 32 milioni di euro più 8 milioni di possibili bonus, firmando un contratto quinquennale. L'8 agosto esordisce con la maglia bianconera in Supercoppa italiana, segnando la seconda rete nel 2-0 con cui i bianconeri battono la Lazio, aggiudicandosi il suo primo titolo con il club torinese. Il 30 agosto segna la sua prima rete in campionato con i piemontesi nella sconfitta per 2-1 sul campo della Roma. Il 15 settembre fa il proprio esordio nelle coppe europee, durante la vittoriosa trasferta sul campo del Manchester City (1-2). Dopo un inizio di stagione difficile, in cui viene spesso poco impiegato, diviene ben presto titolare, fornendo ottime prestazioni e segnando diversi gol. Il 16 dicembre si sblocca anche in Coppa Italia, andando in rete nel derby degli ottavi di finale contro il Torino (terminato 4-0 in favore della sua squadra). Il 23 febbraio 2016, contro il Bayern Monaco, realizza il primo gol in Champions League, nel match valido per l'andata degli ottavi di finale (terminato 2-2). Al termine della stagione vince lo scudetto (il primo nella sua carriera) e la Coppa Italia in finale contro il Milan (vittoria dei bianconeri per 1-0 ai tempi supplementari).

Nell'annata successiva si conferma punto di forza dell'undici torinese, pur saltando molte gare nella prima parte di stagione a causa di un infortunio avvenuto il 22 ottobre, nella gara persa in casa del Milan per 1-0. Il 23 dicembre a Doha fallisce il calcio di rigore decisivo in Supercoppa italiana sempre contro i rossoneri (la gara era terminata 1-1 al termine dei tempi supplementari), certificando la sconfitta bianconera. Il 28 febbraio 2017 arriva la sua prima doppietta in Coppa Italia nella sfida casalinga contro il Napoli (vinta 3-1), valida per la semifinale di andata, in cui segna entrambe le reti su calcio di rigore. L'11 aprile segna la sua prima doppietta in Champions League contro il Barcellona, nella vittoria casalinga per 3-0, valida per l'andata dei quarti di finale. Il 17 maggio mette in bacheca la Coppa Italia, primo trofeo stagionale nonché secondo consecutivo per l'attaccante argentino; quattro giorni dopo realizza uno dei tre gol della vittoria di campionato contro il Crotone che consegna alla Juventus il suo sesto scudetto consecutivo (il secondo per Dybala). Il 3 giugno a Cardiff gioca la sua prima finale di Champions League, che vede i bianconeri nuovamente sconfitti 1-4 dal Real Madrid