Deux ans plus tard, en 2011, les Françaises refont le coup. Au Brésil, elles tutoient de nouveaux les sommets mondiaux, prennent leur revanche sur les Russes en quarts, éliminent les Danoises en demi-finale et cèdent contre la Norvège. Six mois plus tard, c'est avec de gros objectifs que Dembélé et les Françaises participent aux Jeux olympiques de 2012 à Londres. Mais l'aventure s'arrête en quarts de finale. En 2013, à la suite de l'arrivée d'Alain Portes à la place de Krumbholz, elle devient capitaine de l'équipe de France, notamment lors du Mondial 2013 et l'Euro 2014. Elle fait partie des joueuses retenues en équipe de France pour disputer les Jeux olympiques de 2016 à Rio de Janeiro. La France atteint la finale, mais s'incline face à la Russie et se contente d'une médaille d'argent.