Na olympijských hrách v Riu, Fraser-Pryce běžela 10.88 s a vyhrála semifinále, kvalifikovala se jako nejrychlejší do finále s Thompsonem. Nicméně, po semifinále měla viditelný nepohodl, plakala a kulhala ze závodní dráhy. Ve finále na 100 metrů
, měla rychlý start a bojovala do cíle v nejlepší sezónní 10,86 s, vyhrála bronz. Thompson zajistil Jamajce třetí olympijské zlato na 100 m v 10,71 s, zatímco Tori Bowie získala stříbro v 10,83 s. Ačkoli se jí nepodařilo bránit olympijskou korunu, Fraser-Pryceová odhalila, že překonala vlastní očekávání a popsala svou těžce bojovanou bronzovou medaili jako svou "největší". Na závěr olympijských her získala stříbrnou medaili jako součást ženského 4 × 100 metrů střídačky tým v nejlepší sezónní 41,36 s. Spojené státy získaly své druhé zlato v této soutěži za 41,01 s.