Den holländska Sunweb ryttaren började tisdag med en två minuter 41 sekunder fördel men stannade tillfälligt 33 km från målet för att hantera "magproblem".
Kontroversiellt väntade inte resten av förarna på honom och fortsatte.
Italiensk Nibali scen seger tar honom tredje i den övergripande ställningen, bakom Dumoulin och colombianska Nairo Quintana.
Den försvarande mästaren höll Team Skys Mikel Landa i en sprintfinish efter att ha flytt från Quintana under en snabb slutlig nedstigning i Bormio.
Dumoulin sa att han var "mycket besviken" och "mycket arg" direkt efter loppet, men senare skrev på Twitter att han inte var upprörd över att "andra lag egentligen inte väntade".
"En dag att snabbt glömma! Bra ben, men mycket besviken att jag förlorade två minuter eftersom naturen ringde, "tillade han.
"Det var inte läge eller tid i loppet längre att komma till en fullständig avstängning eftersom naturen kallade mig."
Onsdagens scen 17 är en 219 km race från Tirano till Canazei.
1. Vad är det för fel på dig? Vincenzo Nibali (Ita/Bahrain) 6 timmar 24min 22sek
2 ) och 2......................................................................................................... Mikel Landa (Spa/Team Sky) samtidigt
3. Vad är det som händer? Nairo Quintana (Kol/Movistar) +12seks
Fyra. Domenico Pozzavio (Ita/AG2R) +24sek
För att uppnå detta mål har kommissionen beslutat att inleda ett förfarande enligt artikel 108.2 i fördraget om Europeiska unionens funktionssätt (nedan kallat EUF-fördraget). Ilnur Zakarin (Rus/Katusha) +32sek
6. Vad är det som händer? Davide Formolo (Ita/Cannondale) +1min 26seks
7. Vad är det som händer? Bauke Mollema (Ned/Trek) +1min 35sek
8. Vad är det som händer? Bob Jungels (Lux/Quick_Step) samtidigt
9. Utövande av delegeringen av befogenhet Adam Yates (GB/Orica)
- Tio. - Vad är det för fel på dig? Tibaut Pinot (Fra/FDJ)
1. Vad är det för fel på dig?  Tom Dumoulin (ned/sunweb) 70hrs 14mins 48seks
2 ) och 2.........................................................................................................  Nairo Quintana (Kol/Movistar) +31seks
3. Vad är det som händer?  Vincenzo Nibali (Ita/Bahrain) +1min 12seks
Fyra.  Tibaut Pinot (Fra/FDJ) +2mins 38seks
För att uppnå detta mål har kommissionen beslutat att inleda ett förfarande enligt artikel 108.2 i fördraget om Europeiska unionens funktionssätt (nedan kallat EUF-fördraget).  Ilnur Zakarin (Rus/Katusha) +2mins 40seks
6. Vad är det som händer?  Domenico Pozzavio (Ita/AG2R) +3mins 05seks
7. Vad är det som händer?  Bauke Mollema (Ned/Trek) +3mins 49seks
8. Vad är det som händer?  Bob Jungels (Lux/Quick-Step) +4mins 35seks
9. Utövande av delegeringen av befogenhet  Steven Kruijswijk ( Ned/LottoNL) +6mins 20seks
- Tio. - Vad är det för fel på dig? Adam Yates (GB/Orica) +7mins
Tom Dumoulin såg sin totala Giro d'Italia bly klippt till 31 sekunder efter en oplanerad toalettstopp under scen 16, som vanns av Vincenzo Nibali.