På OL i Rio de Janeiro vandt Chalmers guldmedaljen i 100 meters fri stil.
Den nye junior verdensrekord på 47,58, den første australske at gøre det siden Michael Wenden i 1968. Han havde også svømmet den hurtigste tid i heaterne, med sine 47,90 s at bryde sin egen junior verdensrekord. I 4x100 meter freestyle-stafet bidrog han til, at Australien tog en bronzemedalje. I medley-stafet havde han den hurtigste deling af feltet med en tid på 46,72, hvilket hjalp holdet med at vinde bronzemedaljen. Historisk set har kun Pieter van den Hoogenband (46,70 i 2003), Vladimir Morozov (46,69 i 2017), Cameron McEvoy (46,60 i 2015) og Duncan Scott (46,14 i 2019 og Jason Lezak (46,06 i 2019) været hurtigere i tekstilbadetøj.