Op de Olympische Spelen van 2016 in Rio de Janeiro haalde Felix negen medailles: zes gouden en drie zilveren, waarmee ze het record van de Jamaicaanse legende Merlene Ottey met de meeste medailles voor een vrouwelijke atleet in de atletiek evenredig maakte, hoewel de meeste medailles van Ottey uit individuele medailles bestaan. Felix's hoop op een Olympische gouden medaille op de 400 meter kwam kort nadat ze met 0,07 verloor van Shaunae Miller van de Bahama's, die een legale maar controversiële duik over de finishlijn maakte toen Felix de afstand snel aan het dichten was. Felix herstelde van de teleurstellende prestaties om twee gouden medailles te winnen met de VS 4 × 100 meter
en 4 × 400 meter relay teams. De 4 × 100 meter relay overwinning trok veel controverse, omdat Team USA in eerste instantie werd gediskwalificeerd in hun halve finale nadat Felix de staf had laten vallen tijdens de overhandigingspoging naar Engels Gardner. Uit de herhalingen bleek echter dat de Braziliaanse sprinter in de naburige rijstrook haar arm zwaaide en Felix per ongeluk belemmerde vlak voor de overdracht, waardoor ze haar evenwicht verloor. Nadat het beroep was aanvaard, kreeg Team USA de volgende dag een solo run. Met een succesvolle tijdrit kwamen Felix en haar teamgenoten door naar de finale, waarin ze in 41,01 seconden wonnen, de op een na snelste 4 × 100-meter relaytijd in de geschiedenis.