Schooling schwamm bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro mit 50,83 s die schnellste Zeit im Halbfinale über 100 m Schmetterling und stellte damit einen neuen Asienrekord auf. Im Finale brach er mit 50,39 s erneut den Asienrekord und stellte zudem einen neuen olympischen Rekord auf. Dabei gelang es ihm, sein großes Vorbild Michael Phelps, den Inhaber des bisherigen olympischen Rekordes, im direkten Vergleich zu schlagen. Phelps wurde gemeinsam mit den zeitgleichen Chad le Clos und László Cseh in 51,14 s Zweiter. Mit seinem Sieg wurde Schooling der erste Olympiasieger Singapurs in der Geschichte der Olympischen Spiele und erhielt dafür von seinem Land eine Siegprämie von einer Million Singapur-Dollar (etwa 655.000 Euro).