En Río 2016, Felix ha logrado una plata en los 400 metros lisos y dos oros en los relevos 4x100 y 4x400. En el 400 le quito el oro la bahameña Shaunae MIller que se tropezó al final de la recta y entró a meta cayéndose al suelo. El oro del 4x100 fue el más sufrido, ya que en semifinales tuvieron un percance con la atleta brasileña que corría por la calle de al lado, golpeó a Felix lo justo para que se desequilibrara y se les cayera el testigo a las estadounidenses, aunque al final el comité de jueces les dejo repetir la carrera a ellas solas por la misma calle como estipula el reglamento. Corriendo ellas solas consiguieron el pase a la final con el mejor tiempo, pero les dejaron la peor calle para los velocistas, la temida calle uno. En la final, sus máximas rivales eran las jamaicanas, pero las estadounidenses ganaron claramente con un tiempo de 41.01. En la final de 4x400 no tuvieron tantos problemas y ganaron con un tiempo de 3:19.06 por delante también de las jamaicanas.
Con estos dos oros conseguidos en los relevos de Río 2016, Allyson Felix es la mujer que ha conseguido más oros en juegos olímpicos, y eso que no pudo participar en su prueba estrella, los 200 metros lisos debido a que en los Trials de Estados Unidos entró a meta una centésima por detrás de la tercera clasificada, lo que hizo que se quedara sin plaza para participar en estos juegos olímpicos.
Además de haber conseguido seis oros olímpicos, la estadounidense ha entrado en la historia del atletismo al participar en mundiales y JJOO en cinco pruebas distintas (100 ml, 200 ml, 400ml, 4x100 y 4x400) consiguiendo medallas olímpicas y mundiales en todas estas pruebas menos en los 100 ml, algo que solo ella ha sido capaz de lograr.