2016. aasta Rio de Janeiros toimunud olümpiamängudel tõstis Felix oma olümpiamängude kogumaja üheksa medalile: kuus kuld- ja kolm hõbedamedaali, seostades seda Jamaika legend Merlene Ottey rekordiks, mis on kõige rohkem olümpiamedaale, mida võitis naissoost sportlane, kuigi enamik Ottey medalide kollektsioonist koosneb individuaalsetest medalitest. Felix'i lootus võita 400 meetri olümpiamedaali tuli esile vahetult pärast seda, kui ta kaotas Bahama saartelt Shaunae Millerile 0,07 võrra, kes tegi seadusliku, kuid vastuolulise sukeldumise mööda finišijoont, kui Felix kiirelt kaugust sulges. Felix taastas end pettumust tekitavast esinemisest ja võitis USA 4 × 100 meetri võistlusel kaks kuldmedaali
ja 4 × 400 meetri relee meeskonnad. 4 × 100 meetri relee võit tõi kaasa palju vastuolusid, kuna USA meeskond diskvalifitseeriti esialgu oma poolfinaalis pärast seda, kui Felix oli langetanud vöidri üleandmise katse ajal Inglise Gardnerile. Kuid kordused näitasid, et naaberjoonel asuv Brasiilia sprinter tõmbas käe ja takistas juhuslikult Felixi vahetult enne üleandmist, põhjustades tema tasakaalu kaotamise. Pärast apellatsiooni heakskiitmist anti USA meeskonnale järgmisel päeval soolojooks. Õnnestunud ajavõistluse tulemusena jõudsid Felix ja tema meeskonnakaaslased finaali, kus nad võitsid 41.01 sekundiga, mis on ajaloo teine kiireim 4 × 100 meetri relee aeg.