Podczas igrzysk olimpijskich w Rio de Janeiro zdobyła złote medale w konkurencji 200, 400 i 800 m stylem dowolnym. W trakcie eliminacji na dystansie 400 m stylem dowolnym ustanowiła nowy rekord olimpijski (3:58,71). Kilka godzin później w finale tej konkurencji poprawiła własny rekord świata uzyskując czas 3:56,46. W trakcie eliminacji na dystansie 800 m stylem dowolnym ustanowiła nowy rekord olimpijski z czasem 8:12,86. Dzień później, w finale tej konkurencji pobiła rekord świata, przepływając 800 m w 8:04,79. Ledecky startowała także w konkurencji sztafet w stylu dowolnym. Na dystansie 4 × 200 m kraulem zdobyła złoto, a w sztafecie 4 × 100 m wywalczyła srebrny medal.