Oleksiak va concura pentru echipa canadiană de înot la Jocurile Olimpice de la Rio 2016 în cinci curse. Competiţia ei a început în prima zi. În căldura de 100 m fluture
, ea a rupt recordul național și recordul mondial junior cu un timp de 56.73 în drum spre semifinale. Oleksiak a ancorat, de asemenea, etapa finală a echipei de ștafetă de 4 × 100 m freestyle a femeilor cu Taylor Ruck, Chantal van Landeghem, Sandrine Mainville și Michelle Williams, cu ultima înotând doar în căldură. În finala ștafetei, ea a obținut a treia poziție împotriva Statelor Unite și a Australiei, câștigând prima medalie olimpică a Canadei în ștafeta de stil liber pentru femei în ultimii 40 de ani. După cursă, tânărul de 16 ani a spus: "Nimeni nu se aștepta cu adevărat ca Canada să intre în cursă, dar acum că suntem aici, oamenii vor fi surprinși de ceea ce facem".