Nos Xogos Olímpicos de Río de Janeiro de 2016, Félix aumentou o seu total de medallas olímpicas a nove: seis de ouro e tres de prata, empatando o récord da lenda xamaicana Merlene Ottey para a maioría das medallas olímpicas gañadas por unha atleta feminina de atletismo, aínda que a maior parte da colección de medallas de Ottey consta de medallas individuais. A esperanza de Felix de gañar a medalla de ouro olímpica de 400 metros xurdiu pouco despois de perder por 0.07 a Shaunae Miller das Bahamas, que fixo unha inmersión legal pero controvertida a través da liña de meta mentres Felix estaba a achegarse rapidamente á distancia. Felix recuperou do decepcionante rendemento para gañar dous ouro cos Estados Unidos 4 × 100 metros
Equipos de relevos de 4 × 400 metros. A vitoria do relevo de 4 × 100 metros atraeu moita controversia, xa que o equipo dos Estados Unidos foi inicialmente descalificado na súa carreira de semifinais despois de que Felix deixara caer o bastón durante o intento de transferencia a English Gardner. Con todo, as repeticións mostraron que a velocista brasileira na liña veciña balanceou o brazo e impediu accidentalmente a Felix xusto antes da transferencia, facendo que perdese o equilibrio. Despois de que a apelación foi aceptada, o equipo dos EUA foi premiado cunha carreira en solitario ao día seguinte. Con unha exitosa contrarreloj, Felix e os seus compañeiros de equipo avanzaron á final, na que gañaron en 41.01 segundos, o segundo tempo máis rápido de relevo de 4 × 100 metros na historia.