14 lipca 2016 roku jego umowa została rozwiązana.
Melbourne City 11 sierpnia 2016 Cahill podpisał trzyletni kontrakt z klubem A-League Melbourne City, z planem gry przez pierwsze dwa lata, a następnie objęcia roli trenera przez trzeci rok. Cahill zadebiutował w Pucharze FFA 24 sierpnia jako zmiennik w 64. minucie przeciwko Brisbane Strikers. W swoim drugim meczu dla Melbourne City strzelił gola i uzyskał asystę w wygranym 4:1 ćwierćfinale Pucharu FFA przeciwko Western Sydney Wanderers. Cahill zadebiutował w A-League w Melbourne Derby przeciwko Melbourne Victory 15 października. Otworzył wynik spektakularnym strzałem w górny róg z 35 metrów po 27 minutach. City wygrało mecz 4:1. 30 listopada Cahill strzelił gola w finale Pucharu FFA.
4 lutego 2017 r., kiedy przygotowywał się do wejścia na boisko jako rezerwowy przeciwko Melbourne Victory FC, Cahill został skazany na karę za używanie „obraźliwego języka w stosunku do sędziego meczowego” po tym, jak ze złością kwestionował bramkę z Chrisem Beathem. To pierwszy raz w historii australijskiego futbolu, w którym zawodnik został wyrzucony z boiska przed wejściem na boisko.
6 grudnia 2017 r. Cahill opuścił Melbourne City ponieważ mało grał w pierwszym składzie.