در نقل و انتقالات تابستانی سال ۱۳۹۵، صادق محرمی با قراردادی دو ساله به تیم فوتبال پرسپولیس تهران پیوست.
صادق محرمی در اولین تجربه حضورش در پرسپولیس توانست رقبای بزرگی همچون ۲ ملی پوش در پست خود یعنی رامین رضاییان و حسین ماهینی را هم پشت سر بگذارد و به عنوان دفاع راست سرخپوشان در لیگ برتر بازی کند؛ برانکو با بازی دادن به محرمی اعتماد به نفس و تجربه لازم را به وی داد و نمایش قابل قبول صادق محرمی در پرسپولیس خود گویای مثبت بودن اعتمادبرانکو ایوانکوویچ به وی می‌باشد.
صادق محرمی در نخستین سالی که در پرسپولیس حضور داشت توانست به مقام قهرمانی لیگ برتر فوتبال ایران ۱۳۹۵–۹۶ برسد؛ همچنین در همان فصل پرسپولیس قهرمان سوپر جام فوتبال ایران ۱۳۹۶ نیز شد.
صادق محرمی توانست با پرسپولیس در لیگ قهرمانان آسیا ۲۰۱۷ تا نیمه‌نهایی صعود کند و به جمع چهار تیم برتر آسیا برسد. به نوشته پارس، وی در دوشنبه ۲۴ اردیبهشت ۱۳۹۷ و پس از برد برابر الجزیره، با هواداران پرسپولیس خداحافظی کرد و این تیم را به مقصد دینامو زاگرب کرواسی ترک کرد.
