Le 29 juillet 2016, il signe à l'Olympique de Marseille un prêt d'une saison sans option d'achat. Il joue son premier match officiel sous ses nouvelles couleurs en étant titularisé lors de la première journée de Ligue 1 lors de la réception du Toulouse FC. Il marque son premier but sous le maillot marseillais lors de la troisième journée de championnat contre le FC Lorient. Le 27 janvier 2017 il inscrit le deuxième triplé de sa carrière et son premier avec l'OM face au Montpellier HSC lors d'une victoire sur un score fleuve de 5-1 au Vélodrome. Gomis réalise l'une des meilleures saisons de sa carrière en Ligue 1 dès sa première année à Marseille, avec déjà 15 buts en 31 journées. Il atteint la barre des 20 buts lors de l'avant dernière journée à Bordeaux. Il envoie l'OM en Europa League et Bastia en Ligie 2 à la dernière journée au Vélodrome. Voici donc les All Goals de Bafé Gomis. Après cette saison, Bafé Gomis refuse le role de doublure proposé par l'OM et est approchés par des clubs turcs notamment Galatasaray et Fenerbahce