Na olympijských hrách v Riu de Janeire v roku 2016 Felix zvýšila celkový olympijský počet medailí na deväť: šesť zlatých a tri strieborné medaily, čím sa vyrovnala s rekordom jamajskej legendy Merlene Otteyovej, ktorá získala najviac olympijských medailí, hoci väčšina zbierky Otteyovej pozostáva z individuálnych medailí. Felixova nádej vyhrať olympijskú zlatú medailu na 400 metrov sa objavila krátko po tom, ako prehrala o 0,07 proti Shaunae Millerovej z Bahamov, ktorá urobila legálny, ale kontroverzný ponor cez cieľovú čiaru, keď Felix rýchlo priblížil vzdialenosť. Felix sa zotavil zo sklamania a získal dve zlaté medaily v USA 4 × 100 metrov
a 4 × 400 metrov štafeta tímy. Víťazstvo v štafete 4 × 100 metrov vyvolalo veľa kontroverzií, pretože tím USA bol spočiatku diskvalifikovaný vo svojom semifinále po tom, čo Felix upustil palicu počas pokusu o odovzdanie Angličanovi Gardnerovi. Avšak opakované prehrávanie ukázalo, že brazílska sprinterka v susednom pruhu sa prehnala rukou a neúmyselne zastavila Felixa tesne pred odovzdaním, čo spôsobilo, že stratila rovnováhu. Po prijatí odvolania, Team USA bol na nasledujúci deň ocenený sólovým behom. Po úspešnej časovej skúške sa Felix a jej spoluhráči dostali do finále, v ktorom vyhrali za 41,01 sekundy, druhý najrýchlejší čas v histórii štafety 4 × 100 metrov.