Pada bulan April 2016 McKeon terpilih sebagai bagian dari tim Australia untuk Olimpiade Musim Panas 2016 yang diadakan di Rio de Janeiro, Brasil. Saudaranya David juga terpilih, yang berarti pasangan itu adalah saudara dan saudari pertama yang berenang di Olimpiade untuk Australia sejak John dan Ilsa Konrads pada tahun 1960. Pada Olimpiade Musim Panas 2016 ia memimpin relai gaya bebas 4 × 100 meter yang memenangkan medali emas dalam waktu rekor dunia 3:30.65. McKeon juga memenangkan sepasang perak sebagai bagian dari gaya bebas 4 × 200 meter
dan 4 × 100 meter medley relay. Dia adalah salah satu dari lima peraih medali individu Australia dalam renang di Rio, setelah memenangkan medali perunggu dalam gaya bebas 200 meter dengan waktu 1:54.92. Dalam 100 meter kupu-kupu, ia finis di urutan keenam.