En début d'année 2015, après avoir pris la septième place du Grand Prix d'ouverture La Marseillaise, Theuns obtient plusieurs places d'honneur lors de l'Étoile de Bessèges. Leader du classement général pendant deux jours, il termine cette course à la cinquième place, et remporte le classement par points. En mars, il remporte le Tour de Drenthe. Il est ensuite deuxième d'À travers les Flandres, derrière son coéquipier Jelle Wallays, et du Grand Prix de l'Escaut, battu au sprint par Alexander Kristoff. En mai, il gagne la dernière étape des Quatre Jours de Dunkerque, dont il prend la septième place finale. Il termine la World Ports Classic à la même place. Le mois suivant, il est deuxième du Tour de Cologne, troisième de Halle-Ingooigem, cinquième du Ster ZLM Toer. En fin de saison, il est vainqueur d'étape du Eurométropole Tour 2015. Ses résultats lui permettent de terminer à la deuxième place du classement individuel de l'UCI Europe Tour, derrière Nacer Bouhanni, tandis que Topsport Vlaanderen-Baloise remporte le classement par équipes.
Edward Theuns rejoint en 2016 l'équipe World Tour Trek-Segafredo, qui l'engage pour deux ans, afin entre autres d'épauler Fabian Cancellara[4]. En mars, il est deuxième d'une étape de Paris-Nice, battu au sprint par Nacer Bouhanni. Lors des classiques flandriennes, il est troisième d'À travers les Flandres, quatrième du Grand Prix de l'Escaut, huitième du Circuit Het Nieuwsblad et de Kuurne-Bruxelles-Kuurne. En mai, il obtient sa seule victoire de la saison, en remportant au sprint la première étape du Tour de Belgique[5]. Il finit onzième du classement général de cette course. En juillet, il dispute le Tour de France, son premier grand tour. Il est le sprinter de Trek-Segafredo lors de cette course, et se classe trois fois parmi les dix premiers d'étapes durant la première semaine. Sa cinquième place lors de la première étape lui permet de porter pendant une journée le maillot blanc distinguant le meilleur jeune[6]. Lors de la treizième étape, un contre-la-montre, il est victime d'une chute qui lui cause une fracture d’une vertèbre dorsale. Il reprend l'entraînement à la fin du mois d'août[7] et revient en compétition fin novembre, lors de la Revolution Champions League au vélodrome de Manchester[8].