2016年7月、新曲「アリア」をTBS日曜劇場『仰げば尊し』の主題歌として提供[28]、8月17日に配信限定リリース。2016年9月には、テレビアニメ『3月のライオン』のオープニングテーマに新曲「アンサー」、エンディングテーマに「ファイター」を提供[29]、「アンサー」を12月21日に配信限定リリースした。また、翌2017年4月からテレビアニメ『GRANBLUE FANTASY The Animation』に『Butterflies』収録曲「GO」をオープニングテーマとして提供[30]、同曲を使用したCM「グランブルーファンタジー」のオンエアも前月よりスタートした[31]。

2017年1月28日、新曲「流れ星の正体」の弾き語りデモ音源を30日深夜までホームページ上で無料公開[32]。また、バンド結成20周年の最終日となる2月10日にはアニバーサリーイヤーのうち最後の期間に制作された「リボン」を披露するスタジオライブ生配信（YouTube公式チャンネル、AbemaTV、スペシャアプリで配信）を行った。「リボン」は5月1日にデジタルシングルとしてリリースされ、同日にミュージックビデオも公開された。また、同日バンドの公式Twitter[33]と公式Instagram [34]が開設された。7月5日には、6月19日より放映されていた日清食品「カップヌードル」CMソング[35]「記念撮影」をデジタルシングルとしてリリース[36]。

2017年9月16日から翌2018年2月11日にかけて、全国ツアー「BUMP OF CHICKEN TOUR 2017-2018 PATHFINDER」を開催した[37][38]。直前にアルバムリリースが行われないツアーであったが、実質的な「COSMONAUT」リリースツアーとなった「GOOD GLIDER TOUR」「GOLD GLIDER TOUR」（2011年?2012年）を除けば、2006年の「run rabbit run」以来約11年半ぶりの「引っ提げないツアー」となった。追加公演および再追加公演を含めて全29公演を開催した[39]。このうち2018年1月27日・1月28日に開催予定だったマリンメッセ福岡公演が、藤原のインフルエンザ罹患のため開催見合わせ（延期）となった[40][41]（なお、振替公演は同会場で3月17日・3月18日に開催された[42]）。ツアーファイナルのさいたまスーパーアリーナ公演（2018年2月10日・2月11日）では、同ツアーのスタジオコースト公演（2017年11月）の模様を収録したDVDおよびBlu-ray『BUMP OF CHICKEN PATHFINDER LIVE AT STUDIO COAST』が同会場限定で販売された（CDショップなどでは販売されず、のちにバンド公式サイトにて通信販売が行われたほか、福岡振替公演でも販売された）[43]。8月8日にはさいたまスーパーアリーナ公演の2日目の模様を完全収録した『BUMP OF CHICKEN TOUR 2017-2018 PATHFINDER SAITAMA SUPER ARENA』が発売された[44]。

ツアー「PATHFINDER」を終えるとバンドは制作期間に入った。2018年4月、テレビアニメ「重神機パンドーラ」に新曲「シリウス」をオープニング主題歌として、同じく新曲「Spica」をエンディング主題歌として提供した[45][注 7]。「シリウス」は9月24日にデジタルシングルとして先行リリースされた。
6月には、ガンホー・オンライン・エンターテイメントとレベルファイブによる新作スマートフォン向けゲームアプリ『妖怪ウォッチ ワールド』のCMソングとして、新曲「望遠のマーチ」を提供した[46]。7月23日に同曲をデジタルシングルとしてリリース[47]。
10月、同月15日公開の映画『億男』の主題歌として新曲「話がしたいよ」を提供した[48]。また同月には、テレビアニメ『からくりサーカス』にもオープニング主題歌として新曲「月虹」を提供した[49]。さらに、同月19日放送の『ミュージックステーション』スペシャルに2014年7月以来約4年ぶりに出演し、「話がしたいよ」を披露した[50]。テレビ出演自体も2016年の『SONGS』以来、約2年半ぶりとなった。
11月14日には約3年半ぶりのシングル「話がしたいよ/シリウス/Spica」を発売[51]。また、「話がしたいよ」は10月15日にデジタルシングルとして先行リリースされた。
12月、ロッテ創業70周年記念スペシャルアニメーション『ベイビーアイラブユーだぜ』のテーマソングに新曲「新世界」を書き下ろし提供した[52]。同月、2003年にリリースされた楽曲「ロストマン」が、サッポロビールのCM『第95回箱根駅伝 箱根駅伝のその先へ』のテーマソングとして起用されることが発表され、CMは翌1月2日、3日放送の『第95回東京箱根間往復大学駅伝競走』中に放映された[53]。

2019年1月、TBS日曜劇場『グッドワイフ』に主題歌として新曲「Aurora」を書き下ろし提供した[54]。
6月28日にはシングル「ダイヤモンド」から「Hello,world!/コロニー」およびアルバム「FLAME VEIN +1」から「Butterflies」までの全曲のストリーミング配信を開始[55][注 8]。
7月10日には約3年半ぶりにメジャー通算7枚目となるオリジナルアルバム「aurora arc」をリリースし、7月12日から11月4日にかけてはドーム4ヶ所とライブハウス5ヶ所を巡る全18公演のツアー「aurora ark」を開催した[56]。
2020年 - 2024年:『Iris』

2020年5月、2018年にリリースしたライブ映像作品『BUMP OF CHICKEN TOUR 2017-2018 PATHFINDER SAITAMA SUPER ARENA』のアンコールを除く本編映像をYouTubeにて期間限定で公開したほか、メジャーデビュー後の楽曲でこれまでYouTubeで公開されていなかったミュージック・ビデオをほぼ全て公開した[57]。

8月23日、レギュラー番組「PONTSUKA!!」内で藤原が一般女性と結婚したことを発表。

9月10日、新曲「Gravity」を配信リリース。9月18日公開のアニメーション映画『思い、思われ、ふり、ふられ』に主題歌として提供した。

9月18日、直井の過去の女性問題が報道された。これを受け、直井は謝罪文を公表。9月25日、直井を除く3人の声明文が発表され、直井の音楽活動休止を発表。当面の間はメンバー3人で活動することとなった[58]。

9月29日、新曲「アカシア」が起用された「ポケットモンスター」のコラボレーション・ミュージックビデオ「GOTCHA!」が公開[59]。