Auch 2015 bei den Weltmeisterschaften kam Pernille Blume über 50 und 100 m Freistil nicht über die Halbfinalläufe hinaus. Mit der Staffel über 4×100 m Lagen wurde sie Fünfte. 2016 erreichte sie bei den Europameisterschaften in London mit der Staffel über 4×100 m Freistil ebenfalls den fünften Platz; im Einzel über diese Strecke kam sie nicht über den Vorlauf hinaus. Bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro wurde Blume über 50 m Freistil in 24,07 s Olympiasiegerin und gewann mit der Lagenstaffel eine Bronzemedaille. Daraufhin wurde sie in Dänemark zur Sportlerin des Jahres gewählt.