Dielemans valiti osalema 2016. aasta Rio de Janeiros toimunud suveolümpiamängudel Hollandi meeskonnas, tulistades nii individuaalsetes kui ka meeskonnaturniirides. Esiteks õnnestus Dielemansil koguda kokku 634 punkti maksimaalsest 720st, et saada viiekümne kaheksas seemne, mis suundub nokautstaadiumi, koos tema meeskonna skooriga 1,981 klassifikatsiooni voorust. Meeste meeskonnas võitles Dielemans koos oma kaasmaalastega Van den Bergi ja Van der Veniga Hispaania mehi 5 vastu 1 esimeses voorus, enne kui nad veerandfinaalmängus võitsid Lõuna-Koread 2 vastu 6. Meeste individuaalses
Dielemans tõestas, et ta on keerulisem, kui ta püüab kukutada Londoni 2012. aasta hõbedamedaali võitjat Jaapani Takaharu Furukawat, kes alistas oma olümpiamängude debüüdi algavas ringis kaotuse 1<unk>7.