V roce 2016 na olympijských hrách v Riu de Janeiru Felix zvýšil svůj celkový olympijský počet na devět celkových medailí: šest zlatých a tři stříbrných, čímž vyrovnal rekord jamajské legendy Merlene Otteyové pro nejvíce olympijských medailí, které získala ženská atletka, ačkoli většina Otteyho sbírky medailí se skládá z individuálních medailí. Felixova naděje na olympijskou zlatou medaili na 400 metrů se objevila krátce poté, co prohrála o 0,07 proti Shaunae Millerové z Baham, která provedla legální, ale kontroverzní skok přes cílovou čáru, když Felix rychle přibližoval vzdálenost. Felix se zotavil ze zklamání a vyhrál dvě zlaté medaile s americkými 4 × 100 metrů
a 4 × 400 metrů střídačky týmy. Vítězství v štafetě 4 × 100 metrů vyvolalo mnoho kontroverzí, protože tým USA byl zpočátku diskvalifikován ve svém semifinálním běhu poté, co Felix upustil hůlku při pokusu o předání anglickému Gardnerovi. Přehrávky však ukázaly, že brazilská sprinterka v sousedním pruhu mávala rukou a omylem zastavila Felixe těsně před předáním, což způsobilo, že ztratila rovnováhu. Poté, co bylo odvolání přijato, byl tým USA oceněn sólovým během následující den. Po úspěšné časové zkoušce Felix a její spoluhráči postoupili do finále, ve kterém vyhráli za 41,01 sekundy, což je druhý nejrychlejší čas v historii 4 × 100 metrů.