Oleksiak myndi keppa fyrir sundlið Kanada á Ólympíuleikunum í Rio 2016 í fimm keppnum. Keppnin hófst á fyrsta degi. Í hita 100 m fiðrildi
, bætti hún landsmet og heimsmet hjá unglingum með tímanum 56.73 á leið sinni í undanúrslitin. Oleksiak vann einnig lokaleik kvenna í 4×100 m frjálsliðshóp með Taylor Ruck, Chantal van Landeghem, Sandrine Mainville og Michelle Williams en sú síðari synti aðeins í hita. Í úrslitakeppninni varð hún í þriðja sæti á móti Bandaríkjunum og Ástralíu og vann fyrsta ólympíumedaillu Kanada í frjálsri stafíu kvenna í 40 ár. Eftir hlaupið sagði 16 ára gamli strákurinn: "Enginn átti í raun von á að Kanada kæmi í keppnina, en nú þegar við erum hér, munu fólk vera hissa á því sem við gerum".