In Rio de Janeiro won Phelps 5 gouden en een zilveren medaille. Op de 200m vlinderslag heroverde hij de titel die hij 4 jaar geleden verloor. Hij versloeg Masato Sakai met 0,04 seconde. Op de 200m wisselslag werd hij de eerste zwemmer die hetzelfde individuele onderdeel viermaal wist te winnen. Hij won zilver op de 100m vlinderslag, gedeeld met rivalen László Cseh en Chad le Clos. Het goud ging naar Joseph Schooling.