I april 2016 blev McKeon udvalgt som en del af det australske hold til de olympiske lege i Rio de Janeiro, Brasilien. Hendes bror David blev også udvalgt, hvilket betyder, at parret var de første bror og søster til at svømme ved et OL for Australien siden John og Ilsa Konrads i 1960. Ved Sommer-OL i 2016 førte hun 4 × 100-meter freestyle-stafetten, der vandt en guldmedalje i en verdensrekordtid på 3:30.65. McKeon vandt også et par sølvmedaljer som en del af 4 × 200 meter freestyle
og 4 × 100 meter medley-relæer. Hun var en af fem australske individuelle medaljevindere i svømning i Rio, efter at have vundet en bronzemedalje i 200 meter freestyle med en tid på 1:54.92. I 100 meter sommerfugl sluttede hun sjette.