Na początku marca 2015 Grimes opublikowała demo utworu REALiTi, pierwotnie skomponowane w 2013 roku. Kilka dni później premierę miał utwór Entropy, powstały we współpracy z zespołem Bleachers, stworzony do serialu HBO Dziewczyny. W tym samym roku supportowała koncerty Lany Del Rey. Pod koniec października 2015 Grimes opublikowała utwór i teledysk Flesh Without Blood z nadchodzącej, nowej płyty. Przy tworzeniu klipu pomagał jej brat, Mac Boucher. W listopadzie 2015 ukazał się nowy album artystki – Art Angels, nad którym także pracowała samotnie w swoim domu. Samodzielnie zaprojektowała także okładkę albumu. Krążek został ogłoszony przez magazyn NME albumem roku oraz znalazł się na pierwszym miejscu notowania albumów muzyki alternatywnej według magazynu Billboard. W 2016 r. koncertowała w Ameryce Północnej i Europie. W tym samym roku opublikowała także teledyski do utworów Kill V. Maim oraz California. W lutym 2017 premierę miał teledysk do piosenki Venus Fly, która powstała we współpracy z Janelle Monáe.