左アキレス腱を痛めたため、初のオリンピックアメリカ代表の座がかかった7月の全米選手権（兼オリンピックアメリカ代表選考会）は、6月2日のダイヤモンドリーグ・ローマ大会（男子200m）以来のレースとなったが、決勝で自己ベストタイの9秒84（+1.6）をマークして2位に入り、初のオリンピック代表の座を掴んだ。オリンピックデビューとなった8月のリオデジャネイロオリンピックでは、男子100m予選を10秒13（+0.2）で突破すると、準決勝は10秒01（+0.2）の全体7位タイ（3人が並ぶ）に入り、昨年の北京世界選手権と同じくタイムで拾われて決勝に進出した。しかし、決勝ではアキレス腱を痛め10秒06（+0.2）の8位に終わった。決勝のみ出場した男子4×100mリレーではアンカーを務めると、前を走るジャマイカ（37秒27）と日本（37秒60）を捕らえることはできなかったものの、追い上げてくるカナダ（37秒64）を抑えて37秒62の3位でフィニッシュした。銅メダルを獲得したかに思われたが、その後アメリカチームはテークオーバーゾーンで違反があったとして失格となり、メダル獲得は幻に終わった。フィニッシュと同時に転倒したブロメルは車いすでトラックを後にし、オリンピック後の9月上旬にはオリンピック前から予定していたアキレス腱の手術を行った。