Á Ólympíuleikunum í Rio de Janeiro 2016 náði Felix 9 gull- og 3 silfurverðlaunum og jafnaði met Merlene Ottey frá Jamaíka sem vann flest verðlaun á Ólympíuleikunum fyrir kvenkyns íþróttamennsku, þó að flest verðlaun Ottey séu einkaverðlaun. Von Felix um að vinna gullverðlaun á 400 metra Ólympíuleikunum kom upp skömmu eftir að hún tapaði með 0.07 fyrir Shaunae Miller frá Bahamaeyjum, sem gerði löglegt en umdeilt dýf yfir marklínuna þegar Felix var fljótur að ná fjarlægðinni. Felix komst úr vonbrigðum og vann tvö gullverðlaun með bandarísku 4 × 100 metra hlaupinu.
og 4 × 400 metra stafí liðum. 4 × 100 metra stafettasigurinn vakti miklar deilur, þar sem Team USA var í upphafi útilokað í hálfleiknum eftir að Felix hafði sleppt stafettunni í viðburðartilraun til English Gardner. Hins vegar sýndu endursýningar að brasilíska hlaupkonan í nágrannaslóðinni sveiflaði handlegg sínum og hindraði Felix fyrir rétt áður en hún fór að skipta sér af, sem varð til þess að hún missti jafnvægi sitt. Eftir að áfrýjun var samþykkt fékk Team USA að hlaupa einn daginn eftir. Með árangursríkri tímasetningu gengu Felix og félagar hennar áfram í úrslitakeppnina, þar sem þeir unnu á 41.01 sekúndum, næst fljótlegasta 4 × 100 metra stafettatíma sögunnar.