Bromell saabus Rio olümpiamängudele ja osales 5. augustil 2016 Rahvaste paraadil. Kaheksa päeva hiljem, 13. augustil 2016, võistles ta oma 100 meetri soojuses, kus ta lõpetas 10.13 sekundiga teise koha, Ivory Coast Ben Youssef Meite'i taga. Järgmisel päeval, nagu ka eelmisel aastal, oli Bromell samas poolfinaalis kui Andre De Grasse ja Usain Bolt ning lõpetas taaskord kolmandana nende kahe taga. Bromell võitis Suurbritannia Chijindu Ujah't 2 millisekundi võrra, et saada viimane koht finaali kvalifikatsioonis, 10,01 sekundiga. Vähem kui kaks tundi hiljem sõitis Bromell finaali, lõpetades kaheksanda kohaga 10.06. Bromell puhkas 4 × 100 meetri finaalis
, kus ta vahetas kohad Michael Rodgers joosta ankur jalg asemel esimene. Finalis võitles Bromell Jaapani ankur Asuka Cambridge'iga ja hüppas lõpuni, et lõpetada kolmas vaid 2 sajandikuid tema järel, kuid 2 sajandikuid Kanada ankurist Andre De Grasse'ist. Bromell kukkus pärast sukeldumist piinava valuga pikali ja Rodgers aitas tal püsti tõusta, kui meditsiini meeskond aitas tal rallilt maha minna. Samal ajal kui tema meeskond tähistas oma bronsimedaali, näitas skaneerimine, et Bromell oli oma Achilleuse jälle rebinud. Veelgi rohkem pettumust tekkis, kui selgus, et ebakorrapärane esimene vahetus põhjustas diskvalifitseerimise, mistõttu eemaldati Bromell ja tema samad meeskonnakaaslased Pekingist oma medali uuesti.