Pada Olimpiade di Rio, Fraser-Pryce berlari terbaik musim baru 10.88 s untuk memenangkan semifinal, memenuhi syarat sebagai peserta tercepat untuk final dengan Thompson. Namun, dia terlihat tidak nyaman setelah semifinal, menangis dan melompat keluar dari trek. Dalam final 100 m
, ia memiliki awal yang cepat dan berjuang ke garis finish di musim terbaik 10.86 s, memenangkan perunggu. Thompson mengamankan emas Olimpiade 100 m ketiga Jamaika berturut-turut dalam 10,71 s, sementara Tori Bowie meraih perak dalam 10,83 s. Meskipun ia gagal mempertahankan mahkota Olimpiade, Fraser-Pryce mengungkapkan bahwa ia telah melampaui ekspektasi sendiri, menggambarkan medali perunggu yang diperjuangkannya sebagai "yang terbesar yang pernah ada". Menutup Olimpiade, ia mengumpulkan medali perak sebagai bagian dari tim relai 4 × 100 meter wanita dengan waktu terbaik musim ini 41,36 s. Amerika Serikat mengklaim emas kedua mereka berturut-turut dalam acara ini dalam 41,01 s.