Oleksiak akan bersaing untuk tim renang Kanada di Olimpiade Rio 2016 dalam lima balapan. Persaingannya dimulai pada hari pertama. Dalam panas 100 m kupu-kupu
, ia memecahkan rekor nasional dan rekor dunia junior dengan waktu 56,73 dalam perjalanan ke semifinal. Oleksiak juga mengantarkan leg terakhir tim relai gaya bebas 4×100 m wanita dengan Taylor Ruck, Chantal van Landeghem, Sandrine Mainville, dan Michelle Williams dengan yang terakhir hanya berenang di panas. Di final acara relay, ia mempertahankan posisi ketiga melawan Amerika Serikat dan Australia, memenangkan medali Olimpiade pertama Kanada dalam relay gaya bebas wanita dalam 40 tahun. Setelah balapan, pemain berusia 16 tahun itu berkata, "Tidak ada yang benar-benar mengharapkan ini dari Kanada yang datang ke pertemuan ini, tetapi sekarang kita berada di sini, orang akan terkejut dengan apa yang kita lakukan".