Bij de Olympische Zomerspelen van 2016 wonnen Chen en Lin de gouden medaille in de
10m synchro evenement met een totale score van 496.98. Hij won ook de gouden medaille in het 10m platform evenement met een score van 585.30. Zijn overwinning markeert de eerste keer dat China het Olympisch goud heeft gewonnen in de mannen 10m platform sinds de Olympische Zomerspelen van 2004 in Athene. Later dat jaar werd Chen door FINA uitgeroepen tot Mannelijke Duiker van het Jaar.