Nobelkommittén lovordade honom för ett fredsavtal som undertecknats med Farc-rebeller, men som avvisades av colombianerna i en omröstning.
Santos sade att han ägnade priset åt "alla offer för konflikten", och Farcledaren gratulerade honom.
Omkring 260.000 människor har dödats och mer än sex miljoner internflyktingar har fördrivits i Colombia.
Priset inkluderade inte Farc ledare Rodrigo Londono, känd som Timochenko, som också undertecknade avtalet.
Nobelkommitténs ledare sade att priset erkände presidentens "resoluta ansträngningar" för att få ett slut på konflikten.
"Utmärkelsen bör också ses som en hyllning till det colombianska folket som, trots stora svårigheter och övergrepp, inte har gett upp hoppet om en rättvis fred, och till alla de partier som har bidragit till fredsprocessen," Kaci Kullman Five tillade.
Källor: BBC-övervakning, colombianskt ordförandeskap
Santos sade på Twitter: "Denna hedervärda åtskillnad är inte för mig, det är för alla offer för konflikten. Tillsammans vinner vi den viktigaste utmärkelsen av dem alla: fred."
Fredsavtalet förkastades av 50,2 procent av väljarna som gick till opinionsundersökningarna den 2 oktober.
Utskottet erkände resultatet och sade: "Vad nej-sidan förkastade var inte en önskan om fred, utan ett specifikt fredsavtal."
Det sades också att det skulle vara en svår utmaning att hitta en balans mellan behovet av försoning och att garantera rättvisa för offren.
Även på Twitter sade Farc-ledaren Timochenko: "Jag gratulerar president Juan Manuel Santos, Kuba och Norge, som sponsrade processen, och Venezuela och Chile, som hjälpte den, utan dem, skulle fred vara omöjligt."
Tidigare hade han skrivit: "Det enda pris vi strävar efter är fred med social rättvisa för Colombia, utan (höger) paramilitära grupper, utan vedergällning eller lögner. "Fred på gatorna."
Det här var ett fredspris för ett fredsavtal som inte var det. President Santos ansluter sig till en lång rad Nobels fredspristagare som har belönats för lika mycket möda som prestation.
Men det är för lätt att vara cynisk. Nobels fredspris har ofta varit kontroversiellt. Under de senaste åren har en rad internationella byråkratier vunnit - EU, IAEA och OPCW.
Varför, har somliga argumenterat, bör människor få ett pris för att de helt enkelt gör sitt jobb? Vad, andra frågar, hade USA:s president Barack Obama faktiskt gjort för att förtjäna priset 2009, förutom att bli vald?
Men Nobel har ofta gått till extraordinära personer som verkligen har gått över och över för att skapa fred - i Nordirland och Östtimor för att bara nämna två exempel. Kanske priset till president Santos ännu galvaniserar den allmänna opinionen i Colombia för att tänka på affären igen.
Kritiker, som leddes av före detta president Alvaro Uribe, sade att överenskommelsen var alltför mild mot rebellerna.
Enligt avtalet skulle särskilda domstolar ha inrättats för att pröva brott som begåtts under konflikten.
De som erkände skulle ha fått lindrigare straff och undvikit att avtjäna någon tid i konventionella fängelser.
Farc skulle också ha garanterats 10 platser i den colombianska kongressen i valet 2018 och 2022.
Trots väljarnas förkastande lovade Santos att fortsätta samtalen med rebellerna.
Regeringsförhandlare har redan återvänt till den kubanska huvudstaden Havanna för ytterligare diskussioner med Farc-ledarna.
Kaci Kullman Five, från Nobelkommittén, sade att priset också var tänkt som "uppmuntring" till rebellerna.
"Att ge Santos priset är inte en förnedring för någon av de andra parterna.
"Farc är uppenbarligen en mycket viktig del av denna process."
1964: Upprättad som kommunistpartiets väpnade flygel
2002: På sin höjd hade den en armé på 20.000 soldater som kontrollerade upp till en tredjedel av landet. Senator Ingrid Betancourt kidnappades och hölls i sex år tillsammans med 14 andra gisslan
2008: Farcen drabbas av en rad nederlag under sitt värsta år
2012: Fredssamtal börjar i Havanna
2016: Slutgiltigt eldupphör
Full tidslinje för konflikten i Farc
Santos valdes ut från en lista på 376 kandidater – 228 personer och 148 organisationer. Bland dessa ingick följande:
De viktigaste kandidaterna till Nobels fredspris 2016
Varför blir Nobelpristagarna äldre?
Vinnare genom åren
Colombias president Juan Manuel Santos har tilldelats Nobels fredspris för sina insatser för att få ett slut på 52-åriga konflikter med vänsterrebeller.