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 sampai garis finish dalam waktu terbaik musim ini 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 staf 4 × 100 meter wanita.
Tim dalam musim terbaik 41,36 s. Amerika Serikat mengklaim emas kedua mereka berturut-turut dalam acara ini dalam 41,01 s.