Na igrzyskach olimpijskich w 2016 roku w Rio de Janeiro w Brazylii DiRado zdobył cztery medale: dwa złote, jedno srebrne i jedno brązowe. W pierwszej nocy rywalizacji, DiRado zajął drugie miejsce w indywidualnej 400-metrowej medley
4:31.15 za Katinką Hosszú, która pobiła rekord świata. Zdobyła również brązowy medal w pojedynczym pojedynku na 200 metrów w osobistym czasie 2:08.79, za Hosszú i Siobhan-Marie O'Connor, które zdobyły odpowiednio złoto i srebro. Chociaż nie pływała w biegu 200 metrów swobodnym w Trials, DiRado została umieszczona w finałowej reprezentacji sztafety dla sztafety 4 × 200 metrów swobodnym przez trenerów. Wraz z Allison Schmitt, Leah Smith i Katie Ledecky, DiRado zdobyła swój pierwszy złoty medal olimpijski. W jej ostatnim wydarzeniu, 200-metrowym biegu plecami, DiRado ponownie zmierzyła się z Hosszú, która była faworyzowana do wygrania wydarzenia. Hosszú prowadził przez cały wyścig, dopóki DiRado nie przebił się w ostatnich 25 metrach i nie dotknął Hosszú przez 6 setnych, 2:05.99 do 2:06.05, aby wygrać.