Na olimpiadzie w Rio, Fraser-Pryce biegła 10.88 s, wygrywając półfinał, jako najszybsza w finale z Thompsonem. Jednak po półfinale była w wyraźnym dyskomforcie, płakała i kulała z toru. W finale na 100 metrów
, miała szybki start i walczyła do linii mety w najlepszym sezonie 10.86 s, zdobywając brąz. Thompson zdobył trzecie z rzędu olimpijskie złoto Jamajki na 100 m w czasie 10,71 s, podczas gdy Tori Bowie zdobyła srebro w czasie 10,83 s. Chociaż nie udało jej się obronić korony olimpijskiej, Fraser-Pryce ujawniła, że przekroczyła własne oczekiwania, opisując swój ciężko walczony brązowy medal jako "największy kiedykolwiek". Na zakończenie Igrzysk Olimpijskich zdobyła srebrny medal jako członek zespołu kobiet 4 × 100 metrów w najlepszym czasie sezonu 41,36 s. Stany Zjednoczone zdobyły swoje drugie kolejne złoto w tym wydarzeniu w 41,01 s.