A 2016-os riói olimpiai játékokon Felix kilenc arany és három ezüst érmet szerzett, ezzel megegyezett a jamaikai legendával, Merlene Ottey-vel, aki a legtöbb olimpiai érmet nyerte el egy női atléta által, bár Ottey érmek gyűjteményének nagy része egyéni érmekből áll. Felix reményét, hogy megnyeri a 400 méteres olimpiai aranyérmet nem sokkal azután kapta meg, hogy 0,07 ponttal veszített Shaunae Millerrel a Bahamákról, aki törvényes, de vitatott merüléssel lépett át a célvonalon, miközben Felix gyorsan közelítette a távolságot. Felix felépült a csalódástól, hogy két aranyat nyerjen az USA-val.
4 × 100 méteres és 4 × 400 méteres váltócsapatok. A 4 × 100 méteres sztafény győzelme sok vitát váltott ki, mivel az USA csapatot kezdetben kizárták a félfinálisban, miután Felix elejtette a pálcát az angol Gardner elleni átadási kísérlet során. Azonban az újrajátszás azt mutatta, hogy a szomszédos sávban lévő brazil sprinter megmozdította a karját, és véletlenül megakadályozta Felixet közvetlenül az átadás előtt, ami miatt elvesztette az egyensúlyát. Miután a fellebbezést elfogadták, a következő napon a Team USA-nak szóló versenyre volt joga. Sikeres időmérővel Felix és csapattársai a döntőbe léptek, ahol 41,01 másodperc alatt nyertek, a második leggyorsabb 4 × 100 méteres sztaféidő a történelemben.