I august repræsenterede hun sit land ved OL i Rio. Hun ankom til Rio som nummer et frø og vandt en guldmedalje ved at slå Indiens P. V. Sindhu i kvindernes singler finale.
med en score på 19<unk>21, 21<unk>12, 21<unk>15. Hun skrev historie ved at blive den første ikke-asiater til at vinde den olympiske badminton kvinders singler guldmedalje. En indendørs arena i Huelva er opkaldt efter hendes ære, med Marín selv til stede ved indvielsen.