Na igrzyskach olimpijskich w Rio de Janeiro w 2016 roku Felix zdobyła dziewięć medali: sześć złotych i trzy srebrne, równając się z rekordem jamajskiej legendy Merlene Ottey w liczbie medali olimpijskich zdobytych przez kobietę, choć większość kolekcji medali Ottey składa się z medali indywidualnych. Nadzieja Felixa na zdobycie złota medalu olimpijskiego na 400 metrów pojawiła się krótko po tym, jak przegrała z Shaunae Miller z Bahamów, która wykonała legalny, ale kontrowersyjny skok przez linię mety, gdy Felix szybko zbliżał dystans. Felix odzyskał się po rozczarowującym występie i zdobył dwa złoto z USA 4 × 100 metrów
oraz zespoły biegające na biegach 4 × 400 metrów. Zwycięstwo w sztafecie 4 × 100 metrów wywołało wiele kontrowersji, ponieważ zespół USA został początkowo zdyskwalifikowany w półfinale po tym, jak Felix upuścił baton podczas próby przekazania angielskiego Gardnera. Jednak powtórki pokazały, że brazylijska biegaczka na sąsiednim pasie poruszyła ręką i przypadkowo przeszkodziła Felixowi tuż przed przekazaniem, powodując utratę równowagi. Po zaakceptowaniu odwołania, Team USA otrzymało nagrodę za pojedynczy bieg następnego dnia. Po udanej próbie czasowej, Felix i jej koledzy z drużyny awansowali do finału, w którym wygrali w 41,01 sekundy, co jest drugim najszybszym czasem w historii 4 × 100 metrów.